在有机合成化学领域，手性化合物的合成一直占据着极为重要的地位，在药物研发、材料科学以及农业化学等诸多领域，手性化合物都发挥着关键作用。尤其是手性 N - 羟乙基胺，作为多种天然产物和药物分子的核心结构单元，其独特的结构赋予了分子特殊的生物活性和药理性质，成为众多创新药物的关键药效基团。然而，高效、高选择性地合成手性 N - 羟乙基胺及其衍生物一直是有机合成领域的一大挑战。中科院天工所朱敦明、吴洽庆、姚培圆团队在《Organic Letters》发表的研究成果，通过工程化亚胺还原酶，成功实现了 N - 羟乙基氨基茚衍生物的不对称合成，为这一领域带来了新的曙光。
一、研究背景
手性 N - 羟乙基胺的重要性
手性 N - 羟乙基胺广泛存在于具有显著生物活性的分子中。在药物领域，许多临床应用的药物分子都包含这一结构单元。它们能够与生物体内的特定靶点发生特异性相互作用，从而调节生物过程，发挥治疗疾病的作用。手性 N - 羟乙基胺结构可以影响药物分子的药代动力学性质，如药物的吸收、分布、代谢和排泄过程，进而优化药物的疗效和安全性。在天然产物中，手性 N - 羟乙基胺结构也常常赋予分子独特的生物活性，如抗菌、抗病毒、抗肿瘤等，为药物研发提供了丰富的先导化合物资源。
代表性手性N-羟乙基氨基衍生物（来源：Org. Lett.）
传统合成方法的局限
传统的手性 N - 羟乙基胺合成方法主要依赖化学合成策略。一些化学合成反应的收率较低，大量的原料在反应过程中未能转化为目标产物，造成了资源的浪费和成本的增加。部分反应需要使用昂贵的催化剂或试剂，这不仅提高了生产成本，还可能带来环境问题。许多化学合成反应需要在苛刻的反应条件下进行，如高温、高压、强酸碱环境等，这对反应设备要求较高，同时也限制了底物的选择范围和反应的可操作性。对于手性 N - 羟乙基氨基茚衍生物这类结构较为复杂的化合物，传统化学合成方法在实现不对称合成时面临更大的挑战，难以高效、高选择性地构建目标手性结构。
生物催化合成的优势与潜力
生物催化作为一种绿色、高效的合成方法，近年来在有机合成领域展现出巨大的潜力。生物催化剂，如酶，具有高度的选择性和催化活性，能够在温和的反应条件下实现复杂的化学反应。与传统化学合成相比，生物催化反应通常在接近生理条件下进行，避免了苛刻反应条件对底物和产物的破坏，同时减少了副反应的发生，提高了反应的原子经济性。酶的特异性使得生物催化能够实现对特定手性中心的精准构建，为手性化合物的合成提供了一种理想的策略。在合成手性 N - 羟乙基胺及其衍生物方面，生物催化有望克服传统化学合成方法的局限，开辟一条高效、绿色的合成路径。
二、研究核心成果
朱敦明教授团队通过IRED催化1-oxo-2,3-二氢-1H-茚-4-腈与乙醇胺缩合生成的亚胺进行不对称还原，首次实现手性N-羟乙基胺高效合成。
（来源：Org. Lett.）
（一）亚胺还原酶突变体的筛选
团队的研究始于对亚胺还原酶（IRED）的筛选。他们从众多的 IRED 中筛选出对多种 N - 羟乙基亚胺衍生物具有高对映选择性的突变体 IR262 - F185E/F229L。通过对不同来源、不同结构的 IRED 进行系统筛选，团队发现了具有潜在应用价值的 IR262，并在此基础上进行进一步的优化。
合成 (S)-3a 的方法（来源：Org. Lett.）
筛选中发现10个IRED具备活性，其中IR262表现出优异的(S)-选择性，后续通过酶工程优化提升其催化性能。通过AlphaFold3建模和对接，筛选IR262活性口袋附近50个残基进行丙氨酸扫描，确定6个关键位点。进一步饱和突变后，筛选出M191L、F185E、F229L等突变体，催化活性均优于野生型。最终构建双突变体F185E/F229L，其产率提升至72%，为野生型的1.8倍，且保持>99% ee。
所有单点突变体对2a的活性（黑框代表野生型）（来源：Org. Lett.）
（二）基于结构分析的突变体构建
为了深入了解 IR262 的催化机制并进一步优化其性能，团队借助 AlphaFold3 建模和对接技术，对 IR262 的活性口袋附近 50 个残基进行了丙氨酸扫描。
F185E/F229L 和 IR262 对 2a-2n 的对映体选择性和分析收率（来源：Org. Lett.）
经过细致的分析，团队确定了 6 个关键位点。随后，通过对这 6 个关键位点进行饱和突变，即在每个位点引入不同的氨基酸，构建了大量的突变体库。从这个庞大的突变体库中，团队筛选出催化活性优于野生型的突变体。经过多轮筛选和优化，最终成功构建出双突变体 F185E/F229L。该双突变体在催化性能上取得了显著提升，产率提升至 72%，是野生型的 1.8 倍，并且对映体过量值（ee）超过 99%，这意味着产物中几乎只含有单一手性构型的目标分子，极大地提高了合成的选择性。
IR262及其突变体F185E/F229L的结构分析（来源：Org. Lett.）
（三）底物适应性研究
在确定了性能优异的双突变体 F185E/F229L 后，团队对其底物适应性进行了全面考察。研究发现，该突变体对多种取代的亚胺表现出良好的底物适应性。对于含氰基和卤素取代的底物，突变体展现出较高的活性，能够高效地将其转化为相应的手性 N - 羟乙基氨基衍生物。当底物中存在较大的空间位阻时，催化效果会受到显著影响。这一发现为合理设计底物和优化反应条件提供了重要依据，有助于在实际应用中更好地发挥该突变体的催化性能。
（四）连续补料分批策略的设计
在反应过程中，团队遇到了亚胺水解的问题，这一问题严重影响了反应的效率和产率。为了解决这一难题，团队创新性地设计了连续补料分批（fed - batch）策略。
策略通过逐步、连续地向反应体系中补充亚胺底物，保持反应体系中亚胺的低浓度，从而有效避免了亚胺的水解。在该策略下，团队进行了 50mL 的放大反应，成功将 200mM 的 1 - ((2 - 羟乙基) 亚氨基)-2,3 - 二氢 - 1H - 茚 - 4 - 腈完全转化为 (S)-1 - ((2 - 羟乙基) 氨基)-2,3 - 二氢 - 1H - 茚 - 4 - 腈，分离收率达到 70%，ee 超过 99%。该方法展示了在工业应用中合成Ozanimod中间体的巨大潜力。
分批补料模式下的制备级生物催化还原反应（来源：Org. Lett.）
三、结语
中科院天工所朱敦明、吴洽庆、姚培圆团队关于工程化亚胺还原酶实现 N - 羟乙基氨基茚衍生物不对称合成的研究成果，为有机合成领域带来了创新性的突破。
该研究首次实现了通过 IRED 催化 1 - oxo - 2,3 - 二氢 - 1H - 茚 - 4 - 腈与乙醇胺缩合生成的亚胺进行不对称还原，为手性 N - 羟乙基胺的合成提供了一种全新的生物催化方法。与传统化学合成方法相比，该方法具有反应条件温和、选择性高、产率良好等优势，丰富了手性化合物的合成手段。在酶工程领域，通过 AlphaFold3 建模和饱和突变等技术，成功构建出性能优异的亚胺还原酶突变体，为酶的定向进化和理性设计提供了成功范例。
相信在未来的研究中，这一成果将不断拓展和深化，为科学研究和实际应用带来更多的惊喜和贡献。
四、文献信息
文献标题：Asymmetric Synthesis of N-Hydroxyethyl Amino Indane Derivatives Catalyzed by an Engineered Imine Reductase
作者：Jinyang Li, Zefei Xu, Jinhui Feng, Shuhong Mao, Peiyuan Yao, Qiaqing Wu, Dunming Zhu
发表期刊：Organic Letters
DOI：10.1021/acs.orglett.5c01095
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.orglett.5c01095
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