醇脱氢酶催化轴手性联芳基酚的对映发散性合成

轴手性联芳基酚作为天然产物、生物活性分子以及手性配体的重要结构单元，在药物研发和有机合成中占有重要地位。然而，传统化学合成方法通常需依赖复杂的手性配体或助剂、昂贵的过渡金属催化剂，以及预先引入的导向基团，步骤繁琐且成本较高。此外，现有合成策略在对映发散性制备方面仍面临较大限制，成功案例较为有限。值得注意的是，不同对映异构体往往表现出显著差异的生物活性与生理功能，因此，发展可定制、构型可控的光学纯化合物的高效合成策略，至今仍是合成化学领域的一项核心挑战。

近日，南京工业大学郭凯/胡玉静课题组在美国化学会期刊ACS Catalysis发表了题为“Engineered Alcohol Dehydrogenases-Catalyzed Enantiodivergent Atroposelective Synthesis of Axially Chiral Biaryl Phenols via Dynamic Kinetic Resolution”的研究论文。该策略基于工程化醇脱氢酶催化高立体选择性动力学拆分还原反应，并借助室温下可快速消旋的半缩醛中间体维持外消旋底物的动态平衡，进而实现了高效的酶促动态动力学拆分。经过定向进化改造的两种工程醇脱氢酶表现出优异催化活性与立体选择性，能催化获得对映选择性比值高达99:1的R/S构型的目标产物。该研究不仅为轴向手性化合物的对映体互补合成提供了绿色、高效的合成新路线，也拓展了醇脱氢酶在动态动力学拆分还原反应中的应用范围。

研究团队从多种来源中筛选了数十种醇脱氢酶（ADHs），以联芳基化合物7a作为模型底物进行实验测试。结果显示，CpAR2能够以中等产率（38%）和良好的对映选择性（87:13 e.r.）获得S构型产物；而CcPAR则以中等产率（31%）和优异的对映选择性（8:92 e.r.）获得R构型产物。为探究立体选择性的调控机制，研究团队基于已报道的短链醇脱氢酶（SDR）家族ADHs的催化机理，进一步采用分子对接与分子动力学模拟方法，初步识别了可能的底物结合模式及其关键残基。

为实现更高的立体选择性和催化活性，研究团队采用聚焦理性迭代位点突变（FRISM）策略，针对酶底物结合口袋中的关键残基进行了系统性突变改造。通过构建高质量的小型突变文库，团队成功对两种具有不同立体选择倾向的ADHs进行了定向进化，获得了一对对映选择性优异、催化活性显著提升的突变体——CpAR2-M3和CcPAR-M1。其中，CpAR2-M3能以99%的产率和 >99:1 的对映选择性（e.r.）高效生成S构型产物；而CcPAR-M1则以99%的产率和 3:97 的e.r.值生成R构型产物。

进一步的底物范围实验表明，基于CpAR2-M3和CcPAR-M1的酶促动态动力学拆分还原策略具有良好的底物适用性。实验现象同时提示，该酶促反应的选择性和效率可能受到底物半缩醛/醛之间平衡比例的影响。为验证该合成策略的实际应用潜力，团队还成功在1 mmol规模上实现了若干目标产物的合成。

分子动力学模拟与定点突变实验共同揭示了酶立体选择性的分子机制。两种酶同属短链脱氢酶（SDR）家族，均具备高度保守的Ser-Tyr-Lys催化三元体；其中S126与底物羟基形成的氢键对底物定位至关重要。在CpAR2中，F85与F192共同构成底物入口的空间闸门，而E209的侧链体积则影响疏水口袋与辅酶NADPH烟酰胺环之间的空间几何关系。当突变为F85A/F192L/E209A组合后，底物反应位点与NADPH的C4原子距离显著缩短，有效促进了氢负离子的转移。另一方面，在CcPAR中引入V158L突变，通过微调活性口袋的封闭性，将底物推向更有利于反应的过渡构型，同样显著缩短了其反应位点与NADPH-C4的距离。

本研究开发了一种新型生物催化动态动力学拆分（DKR）策略，采用工程化醇脱氢酶（ADHs）实现了轴手性联芳酚的对映发散性合成。经定向进化获得的突变体CpAR2-M3（S-选择性）与CcPAR-M1（R-选择性）均表现出广泛的底物适应性和优异的立体选择性，能够高效地将外消旋底物转化为多种手性联芳基化合物。初步实验数据还表明，底物中乳醛的平衡比例可能与反应的立体选择性和催化效率存在关联。总体而言，该研究为合成具有挑战性的轴向手性联芳基化合物提供了新的生物催化途径，拓展了ADHs在不对称合成中的应用范围，增强了生物催化工具库，并对现有化学合成方法形成了有力补充。

该工作得到了国家自然科学基金、江苏省合成生物基础研究中心（BK20233003）的经费支持。