基于氢键活化策略“理性定制”酶催化有机合成反应的研究

The lipase/additive co-catalyzed MBH reaction is selected as a model reaction. For the low reaction conversions and stereoselectivity, we are going to rationally customize the enzyme and additives based on hydrogen bond activation strategy. Firstly, the additive molecules which can improve the enzyme-catalyzed MBH reaction are screened, and its structural characteristics (with what kind of "hydrogen bond donor") are confirmed. And then, the catalytic mechanism of lipase/additive co-catalyzed MBH reaction is deeply investigated by NMR and molecular dynamics simulation. The hydrogen bond interactions of enzyme-substrate-additive are fully understood from the molecular level, and the relevance is determined. Under the guidance of the co-catalyzed mechanism, the enzyme and additive molecules are reasonable optimized based on hydrogen bond activation strategies, enhancing the intermolecular hydrogen bond interactions and the spatial match of enzyme-substrate-additive complex molecule, which finally achieve the novel enzyme molecules with higher catalytic activity and stereoselectivity and the novel additive molecules with more efficient regulation effects. The optimized enzyme and additive molecules are applied in MBH reaction, and the MBH products with high conversions and enantiomeric ratios can be obtained finally. The established strategies of rational customization of enzyme-catalyzed organic reaction based on hydrogen bond activation strategy, have the important guiding significance for the effective regulation of other enzyme-catalyzed reactions.

本项目拟以脂肪酶/添加剂共催化的MBH反应作为模型反应，针对反应转化率及立体选择性不理想等缺点，依据氢键活化策略，对酶及添加剂分子进行“理性定制”。首先筛选对酶催化MBH反应有激活作用的添加剂分子，确定其结构特点（含有哪类“氢键供体”）；然后采用核磁共振和分子动力学模拟技术对酶/添加剂共催化MBH反应的分子机制进行研究，从分子水平上充分认识酶-底物-添加剂三者间形成的氢键相互作用及相关性；在此基础上，基于氢键活化策略合理改造酶及添加剂分子，强化酶-底物-添加剂分子间的氢键相互作用及空间匹配，获得具有更高效催化活性和立体选择性的新型酶源，具有更高效调控效果的新型添加剂分子；将改造后的酶及添加剂应用到MBH反应中，最终获得具有高转化率和高旋光纯度的手性MBH反应产物。本项目所建立的基于氢键活化策略“理性定制”酶催化有机反应的研究策略，对其它酶催化有机合成反应的有效调控具有重要的指导意义。

MBH反应是一类重要的碳-碳键形成反应，是有机化学中构成分子骨架的关键，是有机化学中最具挑战性的工作，但碳-碳键形成反应并不是酶催化的天然反应类型，所以酶往往不能表现出令人满意的催化性能，建立简单且高效的生物催化对映选择性MBH反应，显得尤为重要。针对以上问题，本项目以脂肪酶/添加剂共催化的MBH反应作为模型反应，针对反应转化率及立体选择性不理想等缺点，依据氢键活化策略，对酶及添加剂分子进行“理性定制”。首次发现酰胺类及氨基酸类化合物可以作为添加剂辅助脂肪酶催化MBH反应，实现惰性反应的生物转化；通过对酶/添加剂共催化MBH反应的分子机制进行研究，认为加入的添加剂与酶-底物复合物形成的氢键相互作用是实现脂肪酶催化MBH反应的关键；在此基础上，基于强化催化剂与底物分子间的氢键相互作用及空间匹配，设计并获得的重组酶，突变酶，小肽分子及氨基酸衍生物等均可以在磷酸钠缓冲液中作为催化剂实现立体选择性MBH转化，反应过程极大简化，且不需要额外引入添加剂，即可获得具有高转化率和高旋光纯度的手性MBH反应产物；将设计并获得的氨基酸衍生物作为添加剂应用于脂肪酶/添加剂共催化的MBH反应系统中，催化效果较未经修饰的氨基酸作为添加剂显著提升。本研究基于氢键活化策略“理性定制”生物催化MBH反应，属本课题组创新性工作，可以为MBH反应提供一种高效、绿色的手性合成途径；建立的基于添加剂策略理性设计重组酶调控酶催化不对称合成反应的研究策略具有创新性，可以为其它酶催化有机合成反应的合理调控提供新思路。建立的基于氢键活化策略“理性定制”酶催化有机合成反应的研究策略，对其它酶催化有机合成反应的有效调控具有重要的指导意义。