在化学合成和药物开发领域，半缩醛是一类重要的有机合成中间体，其结构中同一个碳原子上连有一个羟基、一个烷氧基和一个氢原子。传统化学合成中，半缩醛化合物的合成主要局限于醇和醛/酮之间的加成反应，或通过金属催化剂还原内酯获得。此外，合成手性半缩醛立体选择性控制也是一个挑战，通常需要设计特殊的手性配体催化剂才能实现。尽管酶催化在许多合成反应中具有广泛的应用，但是通过酶催化合成半缩醛一直被认为是难以实现的目标，主要原因是酶催化通常需要水作为反应介质，而半缩醛类分子在水中极度不稳定。
近日，在前期酶催化不同类型C-H键活化与转化的研究基础上，中国科学院天津工业生物技术研究所研究员张武元、盛翔团队等利用反应工程的策略，以真菌来源的过氧合酶作为催化剂，在纯有机相条件下实现了对环醚类分子的C-H键选择性羟化反应，合成光学纯的手性半缩醛化合物。
研究人员将过氧合酶固定在疏水型树脂上，获得的固定化酶可以在多种纯有机溶剂中保持良好的酶活性和稳定性，然后以四氢呋喃作为反应溶剂，同时作为酶催化反应的底物。经固定化的过氧合酶催化C-H键羟基化反应，将四氢呋喃转化半缩醛产物，初步建立了酶催化合成手性半缩醛新路线。此前，过氧合酶被认为只能通过α-C-H键上的攫氢和氧反弹机制催化醚键断裂反应，而在该工作中，研究人员首次采用在纯有机相中的反应体系实现了半缩醛合成，是一种新型反应模式。
在此基础上，为了进一步验证该方法的普适性，研究人员考察了一系列具有电子和结构多样性的环醚类底物。研究发现，六元环的四氢吡喃反应效果最优，其半缩醛选择性为97%，TON高达95172，对映体选择性（ee）超过99%。其他系列具有手性碳原子的产物，其对应的半缩醛产物的ee值可超过99%。
研究人员还采用反应工程的策略，进一步研究了在水相中经C-H键羟基化得到的半缩醛产物如何被进一步原位氧化，以一步法得到具有重要工业应用价值的内酯类化合物。更详细的研究表明，在不同pH条件下，半缩醛和内酯产物的比例有所不同。在pH 4.0时条件下，只检测到半缩醛产物，但当pH升至9.0时，只检测到内酯产物。基于这一发现，研究人员在pH 9.0条件下，通过酶催化C-H键活化，经半缩醛中间产物的原位利用，建立起合成多种内酯分子的方法。
为深入探究过氧合酶在不同反应介质中对产物分布的影响机理，研究人员通过分子动力学模拟和量子化学计算，提出了过氧合酶催化环醚转化为半缩醛，然后进一步转化为内酯的反应机理。半缩醛和内酯产物分布的差异可以解释为环醚和半缩醛对酶活性位点的结合偏好不同所致。
通过反应工程策略，该工作实现了酶催化合成手性半缩醛类分子。在纯有机相反应条件下，有效避免了半缩醛产物的水解反应。此外，通过将反应条件转换为水相条件，半缩醛产物进一步被原位氧化为内酯，这为半缩醛的原位应用及内酯的合成提供了新思路，拓展了酶催化不对称合成的应用领域。
相关成果发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、天津市合成生物技术创新能力提升行动的支持。
论文链接

(a)目前已知的过氧合酶催化醚键断裂、(b)该研究新建立的半缩醛合成反应

(a)过氧合酶催化环醚类分子合成内酯的反应路径、(b)条件调控、(c)反应历程