近日，英国约克大学William P. Unsworth和Gideon Grogan报道了生物催化转化呋喃与胺类化合物为4-吡咯啉-2-酮的反应，可通过I类非特异性过加氧酶artUPO实现。反应适用范围广，采用简单易扩产的过氧化氢驱动方案，且无需外源酶辅因子参与。反应机制可能遵循级联路径，UPO介导的呋喃环氧化开环首先生成活性1,4-二羰基中间体，随后与添加的胺类发生缩合反应，并在UPO活性位点外重排生成吡咯啉酮产物。相关成果发表于ACS Catal.（DOI：10.1021/acscatal.5c05307）。
背景研究：
非特异性过加氧酶（UPOs）是一类血红素加氧酶，仅依靠外源过氧化氢作为氧源催化有机底物的氧合反应，正逐渐成为规模化合成应用潜力的重要生物催化剂。日益丰富的天然UPOs变体及突变体适用于不同反应需求。根据分子量差异，UPOs可大致分为两类：I类和II类。作者前期对制备级UPOs氧合反应的研究重点在于比较典型I类与II类UPOs的催化反应特性（Scheme 1A）。与细胞色素P450相似，UPOs同样展现出超越简单羟基化反应的"混杂"活性。
本研究报告聚焦于一种新型非特异性UPOs反应的发现：I类artUPO能生物催化转化呋喃类化合物5与胺类化合物6生成4-吡咯啉-2-酮类化合物7。这代表了一种生物催化领域前所未有的新型转化，是作者在深入探究I类和II类UPOs分化反应性过程中意外发现的成果。本研究共报道了33种形成吡咯啉酮的新型生物转化反应。所有生物转化均在制备规模上进行，采用简单可放大的工艺方案，以良好产率获得纯品产物。
结果与讨论：
本报告所述的新反应活性源于对甲呋酰胺（5a）进行制备级UPO催化氧化的探索研究。5a是一种用于种子处理的杀菌剂，其代谢物研究引起了农化行业合作者的兴趣。首先，在pH 7.0水性缓冲体系中，以rAaeUPO-PaDa-I-H和H₂O₂为氧化剂，在室温下对5a进行处理。该生物转化的主要产物是酚类化合物8，分离产率为31%。
然而，在基本相同的条件下使用artUPO进行类似反应时，却获得了完全出乎意料的结果：主要产物为吡咯啉酮7a，分离产率达35%（Scheme 2A）。7a中的氮元素很可能来源于artUPO分泌物中夹带的氨（Scheme 2B）。呋喃类化合物在氧化条件下可发生开环反应生成1,4-二羰基化合物，此类中间体在氨存在下可通过原位缩合反应被捕获并转化为7a。4-吡咯啉-2-酮存在三种互变异构形式（Scheme 2C）。对于多数取代模式，3-吡咯啉-2-酮形式9c是最主要的互变异构体。但对于4位连有吸电子基团（如7a）的吡咯啉酮，通常更倾向于形成4-吡咯啉-2-酮互变异构体9a。
据作者所知，在本研究之前尚未报道过制备4-吡咯啉-2-酮的生物催化方法。因此作者研究了生物催化吡咯啉酮形成反应的普适性。首先作者重点探索了氨以外的胺类化合物的适用性（Scheme 3）。在此条件下，5a与乙胺盐酸盐6a成功转化为吡咯啉酮7b。值得注意的是，虽然使用与甲呋酰胺转化相同的含氨artUPO分泌物，但未观察到氨加合物7a的生成，这表明外加乙胺在反应中能够竞争过夹带的氨。接下来测试了乙胺盐酸盐6a与其他取代呋喃的UPO介导反应。甲呋酰胺的酰胺部分可被乙酯取代，吡咯啉酮7c和7d的产率均高于相应的甲呋酰胺转化反应。呋喃3位取代具有良好的耐受性，可获得吡咯啉酮7e。酮取代的吡咯啉酮7f也能以良好产率获得。呋喃4位吸电子基团（5中R²）的存在对实现高效反应至关重要。
接下来重点探索了胺类底物的反应适用范围（Scheme 4）。所有生物转化均在制备规模进行。环烃取代的胺类底物均适用该反应，可采用缓慢加胺法或起始直接加胺法（7k-7o）。带有腈基（7p）、氟烷基（7q）或桥联双环基团（7r）的官能化胺类在标准方案下也能良好反应。芳香基和杂芳香基取代的胺类（7t-7v）同样适用。该转化反应确实展现出优异的官能团耐受性——能够成功从多种官能化胺类制备吡咯啉酮。这种广泛的官能团兼容性证明了氧化-重排级联反应的普适性，以及UPO对多种活性基团的耐受性。
该反应的可能机理如Scheme 5所示。对照实验证实artUPO是反应必需条件。因此反应很可能通过artUPO与H₂O₂反应形成的血红素Fe(IV)-氧络合物启动呋喃氧化。此前在生物催化阿奇莫维奇反应中，已观察到相关过加氧酶rAaeUPO-PaDa–I-H介导的呋喃氧化开环及后续重排现象(Org. Biomol. Chem. 2024, 22, 6149– 6155)。
本研究可能遵循类似的氧化开环路径（5b→B→C→D），形成D型不饱和酮醛或其水/胺加合物。D的醛基与胺反应可启动形成吡咯啉酮的级联反应，该过程可能涉及多条相关路径：主要包括亚胺缩合（D→E）、水合环化（E→F）及消除/互变异构（F→7）等步骤。已知非酶促的呋喃氧化生成吡咯啉酮的转化反应，例如通过单线态氧驱动呋喃开环并经胺捕获的反应。考虑到这一点，并结合胺类底物的广泛兼容性，作者认为胺缩合步骤很可能在反应条件下于UPO活性位点外自发进行。
总结
总而言之，作者开发出首个由artUPO催化的生物催化方法，可实现呋喃类化合物5与胺类化合物6向吡咯啉酮类化合物7的转化。该工艺适用范围广（33个实例），所有生物转化均采用简单的室温方案在制备规模完成。关键在于反应无需外源辅因子，以H₂O₂作为化学计量氧化剂并通过注射泵缓慢滴加。利用该通用方法可获得多种官能化吡咯啉酮，尤其在胺类底物方面展现出卓越的普适性，证明了UPO对活性胺类具有广泛耐受性。该级联反应可能通过初始UPO催化的呋喃氧化开环，随后在UPO活性位点外与胺发生缩合重排进行。这一新反应进一步扩充了利用UPO实现有用制备级生物转化的工具库。
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