作者：石油醚
导读
近日，上海师范大学赵宝国教授和肖晓教授团队在Nature Catalysis上发表了题为[Asymmetric biomimetic aldol reaction of glycinate enables highly efficient synthesis of chiral β-hydroxy-α-amino acid derivatives]论文。受生物体内苏氨酸醛缩酶（threonine aldolase）催化甘氨酸与醛的aldol反应启发，赵宝国教授和肖晓教授团队以0.01 – 1.0 mol%的手性吡哆醛作为催化剂，首次成功实现了甘氨酸酯与醛的仿生不对称Aldol反应，生成了种类繁多的手性β-羟基-α-氨基酯。此外，利用超过1100种醛类化合物，高效多样化的并行不对称合成成功制备出1700多种手性β-羟基-α-氨基酸酯，进而展现出在药物创新中的巨大潜力。梁撼宇博士为论文的第一作者，赵宝国教授，肖晓教授为论文共同通讯作者。
“Asymmetric biomimetic aldol reaction of glycinate enables highly efficient synthesis of chiral β-hydroxy-α-amino acid derivatives.
Hanyu Liang, Peng Ren, Lei Wang, Dongchen Cai, Sheng Gong, Siqi Liu, Xiao Xiao,* Kuiling Ding, and Baoguo Zhao*
Nat. Catal. 2025. Doi: 10.1038/s41929-025-01364-z
正文：
生物转化的本质上与多种生物活性化合物密切相关。高效的仿生催化不仅为构建生物活性的手性分子提供优秀平台，也对药物研发和制药工业具有重要意义。手性β-羟基-α-氨基酸是一类极其重要的生物活性分子，其可通过苏氨酸醛缩酶催化的甘氨酸的Aldol反应构建。许多上市药物均含有手性β-羟基-α-氨基酸或其衍生物的元素，如Figure 1A所示。如1）L–threo–p-甲砜基苯基丝氨酸是合成抗生素甲砜霉素（Thiamphenicol）及其衍生物氟苯尼考（Florfenicol）主要原料；2）氯霉素（chloramphenicol）由L-threo–p-硝基苯基丝氨酸来构建；3）L–threo-3,4-二羟基苯基丝氨酸是合成多巴胺和依利格鲁司的关键前体；4）糖肽类抗生素万古霉素含有两个手性芳基丝氨酸单元。此外，手性β-羟基-α-氨基酸也广泛存在于如鞘脂类、奥佛林、乳胞素等多种生物活性天然产物中。尽管此类化合物的生物活性高且应用广泛，但其高效合成仍然是化学与生物合成领域的重大挑战。目前，已有研究表明，不对称催化在大规模合成该类化合物方面具有一定的潜力。然而目前多数药物仍采用非不对称的甘氨酸-醛aldol缩合反应路线，如氟苯尼考和多巴胺的合成仍依赖保护-拆分-脱保护流程导致产率低、成本高，严重限制了工业化的效率。
苏氨酸醛缩酶（TA）在辅酶 5′-磷酸吡哆醛（PLP）协助下，可一步催化甘氨酸与醛的Aldol反应生成 β-羟基-α-氨基酸，是一种极具吸引力的合成策略（Figure1B）。虽然该反应在特定芳香醛中已有显著进展，但在更广泛醛类底物中的应用仍受限于 β-碳立体选择性低和催化活性不足。上述限制主要源于酶的特异性，进而表明科学家需要开发通用的手性催化剂来构建β-羟基-α-氨基酸。然而，在NH2未保护的情况下，甘氨酸与醛通过直接不对称aldol缩合反应尚未得到开发。模拟酶促过程实现甘氨酸的不对称Aldol反应，可能为手性β-羟基-α-氨基酸的合成提供一条新的有效路径。如Kuzuhara和Breslow等人利用化学计量比的吡哆醛促进甘氨酸与醛的反应。
近些年来，上海师范大学赵宝国教授团队长期从事于羰基催化未保护伯胺的不对称α-C-H键官能团化研究，成功实现了活化伯胺，如α-氨基酸酯，与不同的亲电试剂的多种不对称转化，例如甘氨酸酯的不对称仿生Mannich反应（Science. 2018, 360, 1438）、仿生Aldol反应（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 20166）、Michael加成反应 (Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 10588)、不对称烯丙基化反应 (Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202200850) 、丙氨酸酯的不对称烷基化反应 (ACS Catal. 2023, 13, 9150-9157)以及硝基烯烃的直接不对称α-C加成反应（ Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202506342.），得到一系列手性氨基酸衍生物。对于惰性伯胺如苄胺和炔丙基胺，也成功实现了它们对高活性亲电试剂（如醛、三氟甲基酮和α,β-不饱和酮）的不对称加成 (Nat. Catal. 2022, 5, 1061-1068; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202206111; J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 38, 25927–25933)。此外，利用光/钯/吡哆醛三重协同催化策略，成功实现氨基酸酯不对称α-烯丙基化（Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202418910）。但多年研究表明，几乎所有开发的吡哆醛催化剂均未能实现甘氨酸酯与醛的不对称Aldol反应（Figure 1C）。目前，PLP 催化甘氨酸的Aldol反应困难重重（Figure 1D）：1）该反应可逆，可能导致手性 β-羟基-α-氨基酸逆反应生成甘氨酸和醛；2）PLP 可能引发产物差向异构化，因其在作为消旋酶辅酶时也能催化α-氨基酸消旋；3）醛与甘氨酸易形成不可逆亚胺，严重干扰Aldol反应进程。上述因素共同导致酶促及仿生Aldol反应效率低、立体选择性差。
基于羰基催化策略的这一挑战性转化，吡哆醛催化剂必须具备极高活性，以确保Aldol反应快速进行，避免所有不期望的副反应，类似酶在生物系统中的作用机制。作者发现，带有方酰亚胺侧链的吡哆醛催化剂1a在甘氨酸酯的Aldol反应中表现出优异的活性与立体选择性（Figure 1E）。近日，赵宝国教授和肖晓教授团队以0.01 – 1.0 mol%的手性吡哆醛作为催化剂，首次成功实现了甘氨酸酯与醛的仿生不对称Aldol反应，生成了种类繁多的手性β-羟基-α-氨基酯。此外，利用超过1100种醛类化合物，高效多样化的并行不对称合成成功制备出1700多种手性β-羟基-α-氨基酸酯，进而展现出在药物创新中的巨大潜力。相关工作发表于“Nature Catalysis”上。
首先，作者以甘氨酸酯3和2a作为模型底物对反应条件进行了筛选，如Figure 2所示。结果表明：吡哆醛催化剂的侧链结构对反应有显著的影响，尤其影响产物的非对映和对映选择性。在所有筛选的吡哆醛催化剂1a–i中，带有双环酰亚胺侧链的 (R,R)-1a 是最优催化剂，仅以0.1 mol% 催化剂用量，既可以98%转化率、>20:1 dr 和 99% ee，生成手性 β-羟基-α-氨基酸酯 4a。相比之下，其对映异构体 (S,R)-1a 在相同条件下活性和立体选择性均不佳。未甲基化的吡啶催化剂 1d 仅产生微量产物 4a，其因吸电子能力不足，无法有效活化甘氨酸酯 α-C-H 键启动反应。甘氨酸酯的酯基主要影响产率，对立体选择性影响较小；其中叔丁基酯表现最佳。即使使用低至 1.2 当量的叔丁基甘氨酸酯，仍可获得 90% 的满意产率。进一步优化显示，降低温度有助于提高产率，可能是由于低温抑制了甘氨酸酯 3 与醛 2a 的亚胺形成速率。最佳反应温度为 -20°C 至 -30°C，溶剂以四氢呋喃（THF）效果最好。
在最优条件下，作者对醛的底物范围进行了研究，如Figure 3所示。芳香醛和烷基醛可以反应。使用0.1–1.0 mol%的手性催化剂(R,R)-1a，各类取代苄基醛（2a–y）、稠环芳香醛（2z–ab）及杂芳基醛（2ac–ai）均能顺利反应，以77–99%的产率、15:1至>20:1 非对映选择性和96–99.7% ee 对映选择性获得一系列手性β-羟基-α-氨基酸酯（4a–ai）。特别的是，醛的电子性质对反应影响较小，富电子与缺电子底物均具较高活性。对羟基苯甲醛因强供电子性，在该催化体系中反应活性较差，引入Boc保护基能增强其亲电性。Boc可在后处理过程中原位脱除，获得4k和4u两种对羟基苯丙氨酸衍生物。相比芳香醛，烷基醛结构更灵活，易与甘氨酸形成副产物亚胺，导致反应控制更具挑战。然而，(R,R)-1a催化剂仍可高效催化此类反应，生成烷基取代的β-羟基-α-氨基酸酯（4am–bl）。含手性基团的醛也可兼容生成含多个手性中心产物（如4aj、4bk、4bl）。例如，(S)-2bk与(R,R)-1a反应主要生成syn/anti比为7:1的非对映体混合物；而(S,S)-1a则以84%产率生成单一非对映体。双醛基底物（如2ak、2al）可与甘氨酸酯发生双不对称Aldol反应，生成含两个手性中心的β,β’-二羟基-α,α’-二氨基二酯。该反应对多种官能团具有良好的兼容性，包括羟基（如4k、4u）、氯代烷基（如4bd）、保护的氨基（如4bi、4bj、4bl）等。
接下来，作者对该反应的实用性进行了研究，如Figure 4所示。即1）抗生素氟苯尼考的关键中间体L–threo-甲砜基苯基丝氨酸酯（4a）的克级规模合成。仅需0.01 mol%的(S,S)-1a（1.0 mg）作为催化剂，即可实现4-甲砜苯甲醛与甘氨酸酯的Aldol反应以82%的产率、15:1 dr和98% ee获得4a（3.22 g（Figure4A）。相比传统三步法，该方法无需使用硫酸铜和强酸，也无需繁琐的手性拆分，显著提升了步骤和原子经济性，并具备环境优势。；2）ent-多巴胺也可通过该方法高效合成，无需丢弃大量不理想构型产物，也不需要引入和去除复杂保护基，其效率远超工业生产中通常采用的五步法（Figure 4B）；3）手性β-羟基-α-氨基酸酯是有机合成中用途广泛的基础结构。例如，产物4h可根据需求转化为对映体纯的β-羟基-α-氨基酸5、β-羟基-α-氨基醇6、三唑7或氮杂环丙烷9（Figure 4C）；4）（S）-2bl和（R）-2bl为原料，分别使用（R,R）-1a和（S,S）-1a作为催化剂，实现了立体发散合成（Figure 4D），成功获得四种非对映异构体。
最后，作者通过一系列实验对反应机理以及手性起源进行了研究。研究结果表明：1）对照实验表明：手性吡哆醛催化剂侧链中的两个NH基团对反应活性和立体选择性至关重要（Figure 4E）。当用甲基部分保护这些NH基团时，转化率和选择性明显下降，表明侧链中的方酰胺可能参与催化过程；2）反应类似酶促Aldol反应的机理进行（Figure 4E）。吡哆醛（R,R）-1a与甘氨酸酯反应生成醛亚胺10，在碱性条件下其α-C–H键去质子化，形成离域碳负离子11。该中间体对醛3进行不对称加成并水解，最终释放出产物β-羟基-α-氨基酸酯4，并再生催化剂（R,R）-1a；3）对醛和中间体11的过渡态TS-12的DFT研究表明：吡啶环与方酰胺之间存在明显的π-π堆积作用，有助于稳定侧链的构型。联芳基骨架与侧链上的两个芳基取代基共同形成一个催化空腔，有利于醛的结合。吡哆醛部分将甘氨酸酯转化为活性碳负离子，而醛则通过与两个 NH 基团形成的双氢键被侧链活化。两种活化的反应物以特定取向结合，最终由催化剂（R,R）-1a生成具有（2R,3S）构型的 β-羟基-α-氨基酸酯 4。这种协同的双功能催化机制与对醛的精确识别，可能是甘氨酸酯在该仿生羟醛反应中表现出高催化活性和优异立体选择性的关键因素。
另外一方面，作者对该方法在大规模、高多样性平行合成中的适用性进行了研究（Figure 5）。结果显示，仅使用0.2 mol%的吡哆醛1a作为催化剂，即可实现对1,134种芳香醛的平行不对称Aldol反应，成功合成出1,715种结构多样的手性β-羟基-α-氨基酯。其中，581种醛分别以(R,R)-1a和(S,S)-1a为催化剂进行反应，生成对应的对映体产物。尽管底物结构高度多样，仍有78%的反应转化率超过90%，仅有6%的反应转化率低于50%。在非对映选择性方面，60%的产物为单一非对映异构体，仅13%的产物表现出较低的非对映异构比（<10:1）。从反应产物中随机选取82个样品测定其对映体过量值（ee），结果表明所有样品均具有优异的对映选择性，ee值介于96%至99%之间。值得注意的是，41%的醛底物含有杂芳基取代基，且超过99%的羟醛产物为尚未报道的新化合物，构成了一个极具潜力的候选分子库，有望应用于新药研发。此外，该策略还可扩展至手性 β-羟基-α-氨基酸的合成。通过盐酸处理去除 β-羟基-α-氨基酯中的叔丁基保护基，可高效获得多种目标氨基酸，且保持良好的产率及优异的非对映选择性和对映选择性。综上所述，基于仿生羟醛反应的高多样性平行不对称合成策略，不仅在构建具有生物活性的手性分子方面表现出极高的效率，还为药物研发提供了强有力的方法学支持。
总结：
赵宝国教授和肖晓教授团队受生物体内苏氨酸醛缩酶催化甘氨酸与醛的aldol反应启发，赵宝国教授和肖晓教授团队以0.01 – 1.0 mol%的手性吡哆醛作为催化剂，首次成功实现了甘氨酸酯与醛的仿生不对称Aldol反应，生成了种类繁多的手性β-羟基-α-氨基酯。此外，利用超过1100种醛类化合物，高效多样化的并行不对称合成成功制备出1700多种手性β-羟基-α-氨基酸酯，进而展现出在药物创新中的巨大潜力。作为合成这些手性β-羟基-α-氨基酸酯的高效新方法，该反应为创新药物合成和药物发现提供了机会。该工作还展示了生物启发的有机催化在手性合成中的强大能力。
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