【催化】生物催化下进行立体选择性的氨基酸及氨基酸甲酯的α-氘代
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氘代化合物是基础研究以及药物发现的重要工具，例如氘代氨基酸可以插入到蛋白质中提高核磁的信号，还可以作为探测蛋白质或者天然产物代谢的工具，氘代之后的药物在人体内代谢速率变慢，从而可以降低给药的剂量等等。基于氘代化合物的重要性，发展新的方法学来简便地获取氘代氨基酸是很重要的研究课题。传统的方法往往需要多步路线，对官能团进行保护以及需要手性辅基的存在。尽管近期报道的一些策略可直接在未标记的氨基酸上直接进行氘代，却很难针对一系列底物达到很好的区域和立体选择性（Figure 1A）。近日，美国密歇根大学安娜堡分校Alison R. H. Narayan教授课题组报道了以氘水作为氘源，利用生物催化实现一系列氨基酸以及氨基酸甲酯的α-氘代。此反应具有很好的区域和立体选择性，作者还进一步将其应用到治疗帕金森药物沙芬酰胺的化学酶法合成中。相关研究成果发表在ACS Catal.上（DOI: 10.1021/acscatal.0c01885）。
（图片来源：ACS Catal.）
磷酸吡哆醛（PLP）依赖的酶能够可逆地进行α-氨基酸的去质子化，其由醛亚胺中间体6经去质子化形成醌中间体7；之后7在氘水存在下再质子化，可形成氘代的α-氨基酸（Figure 1B）。之前已经有报道显示α-氧杂胺合成酶（AOS）能够进行氨基酸α位立体选择性的氘代，而其本身能催化氨基酸与硫酯的脱羧缩合。作者之前也报道了一种α-氧杂胺合成酶SxtA AONS，其本身可以催化L-精氨酸到化合物11的转化（Figure 2）。于是作者猜想可以利用该酶进行氨基酸立体选择性的氘代。
（图片来源：ACS Catal.）
作者选择了蓝藻同系物中表达量最高的SxtA AONS 进行测试，催化天然底物L-精氨酸，并成功检测到氘代产物（Figure 3A）。之后作者分别测试了D型、L型精氨酸以及甲酯化产物，作者发现，将氨基酸衍生化为氨基酸甲酯可明显提高氘代的效率（Figure 3C）。以L型甲酯化产物进行氘代实验，其立体选择性得到很好的保持（90:10 L to D），而D型甲酯化产物的立体构型发生了明显的破坏（38:64 L to D）。作者提出，在重新质子化步骤中，L型比D型具有更好的选择性（Figure 3D）。之后，作者还利用NMR验证了酶催化氘代反应的区域选择性（Figure 3E）。
（图片来源：ACS Catal.）
作者又选取了二十三种三级酸及其甲酯化产物来进行底物适用范围的测试（Figure 4A），研究发现，甲酯化之后可明显提高催化的效率，并且大部分底物都可用该酶来进行氘代反应。之后作者进行了立体选择性的评估，大部分L型氨基酸都可以进行氘化反应，并且具有很好的立体选择性；而D型氨基酸氘化的效率和立体选择性有好有坏（Figure 4B）。
（图片来源：ACS Catal.）
作者之后又利用该酶催化200 mg 规模的L-丙氨酸甲酯的立体选择性氘化，经过数步转化，成功得到治疗帕金森药物沙芬酰胺，氘代率为96%（Figure 5），证明了该反应的实用性。
（图片来源：ACS Catal.）
总的来说，作者发展了利用SxtA AONS进行一系列氨基酸的选择性氘代方法。尽管不同侧链的氘代效率和选择性有好有坏，但总体上L型氨基酸可获得较高的立体选择性。作者还将其应用到治疗帕金森药物的合成中。可以预见，该方法有望应用到其它氘代或氚代化合物的合成中。
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