不对称生物还原alpha-硝基酮及其在beta-氨基醇类药物合成中的应用

Beta-nitro alcohol is an important class of organic molecules, which can be used for synthesis of other useful structures, such as beta-amino alcohol. The latter is not only the essential structural component of many pharmaceuticals, but also widely used as chiral ligands and auxiliaries. Our program aims to prepare chiral beta-nitro alcohols through ketoreducatse catalyzed asymmetric reduction of alpha-nitro ketones. To examine the electronic and steric effects, the optimized catalytic system will be applied to the reduction of a series of substrates with different groups attaching to the carbonyl group. Using a dynamic kinetic resolution strategy, we will also study the asymmetric enzymatic reduction of alpha-nitro ketones with an alkyl substitute at the alpha-carbon, hoping to efficiently generate beta-nitro alcohols with two stereogenic centers in a highly stereoselective manner. The developed method will be applied to the efficient chemo-enzymatic synthesis of norpseudoephedrine, denopamine and the key intermediate of anacetrapib, which all belong to the beta-amino alcohol family of pharmaceuticals. Our proposed research will not only expand the substrate scope of ketoreducatse, but also provide important information for the enzyme mechanism. It is believed that the proposed research goals will be realized because of the applicant’s good research experience in organic synthesis and enzyme catalysis, as well as the great research facilities belonging to the research team and its affiliated department.

Beta-硝基醇是一类重要的有机分子，可用于合成其它有用结构，例如beta-氨基醇。后者是众多药物分子的必要结构组成，也被广泛用作手性配体和辅基。本课题拟采用羰基还原酶来不对称还原alpha-硝基酮从而制备手性beta-硝基醇。为了考察酶还原反应的电子和位阻效应，优化的催化体系将被用于羰基连有不同基团的底物的还原。采用动态动力学拆分的策略，我们也将研究alpha-碳含烷基取代基的alpha-硝基酮的不对称酶还原，有望高产率、高立体选择性地合成含两个手性中心的beta-硝基醇。本课题发展的方法将被用于beta-氨基醇类药物去甲伪麻黄碱、地诺帕明以及anacetrapib关键中间体的高效化学酶法合成。本研究将拓宽羰基还原酶的底物范围，为其分子作用机理提供重要信息。申请人在有机合成和酶催化领域具有的丰富研究经验，以及所在团队和依托单位具有的强大研究实力与完善仪器设备都将是达到研究目标的重要保证。

羰基还原酶（KRED）是一类能够将潜手性酮不对称还原为手性醇的生物催化剂。由于其具有优异的立体选择性、宽泛的底物谱、良好的稳定性，KRED近年来被越来越多地用于手性药物、活性化合物及其中间体的合成。手性beta-硝基醇是一类重要的有机分子，因为其可以被选择性地转化为其它有用的结构，包括beta-氨基醇、alpha-羟基酮、二级醇、Mitsunobu产物等。其中，手性beta-氨基醇尤其受到关注，因为众多具有生物活性的天然产物和药物分子都含有该子结构，包括心血管药物去甲伪麻黄碱和具有降血糖活性化合物坦伯酰胺等。本项目通过构建和筛选一个包含50余个KRED的酶库，结合反应条件优化，实现以YGL039w和RasADH/SyADH为生物催化剂高立体选择性还原两大类共33个alpha-硝基酮底物合成目标beta-硝基醇的一对对映异构体。最后，我们成功构建了一个共表达RasADH和葡萄糖脱氢酶（GDH）的重组大肠杆菌，并利用其静息细胞作为全细胞生物催化剂来合成(R)-坦伯酰胺的关键中间体，时空收率达到178 g L−1 d−1，表明该方法具有良好的合成应用前景。我们对alpha-位含烷基取代基的alpha-硝基酮底物的羰基还原酶催化动态还原动力学拆分（DYRKR）进行了大量尝试，但是没有取得良好结果，可能的主要原因是该类型底物在水溶液中容易分解。因此，我们对其他类型酮底物的DYRKR开展了研究，包括alpha-取代-beta-羰基膦酸酯和芳基alpha-氨基-beta-羰基酯，从而实现具有生物活性的手性alpha-取代-beta-羟基膦酸酯及重要合成砌块手性芳基beta-羟基alpha-氨基酯的高收率、高立体选择性合成。此外，我们以羰基还原酶为催化剂，在公斤级反应中实现高收率、高立体选择性构建他汀侧链C-3立体中心；以羰基还原酶催化下侧链烯酮的非对映选择性羰基还原为核心反应之一，实现5个前列腺素化合物的集成式化学酶法不对称全合成。本研究发展的基于羰基还原酶的化学酶法合成路线具有自身优势，包括立体选择性优异、反应条件温和、对环境友好等，具备良好创新性和实际应用潜力。因此，本研究的顺利开展对社会民生、生态环境都大有裨益。