南京工业大学郭凯、胡玉静团队 | ACS Catal. | 工程化醇脱氢酶经瞬态七元内半缩醛实现轴手性联芳基二甲醇对映发散合成

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论文题目、作者及摘要信息。图片来源：原论文

导语

轴手性联芳基二甲醇既是药物分子和功能材料中的重要结构单元，也是构建手性配体、催化剂及其他阻转异构骨架的通用中间体。此类分子的难点不只是“生成手性”，还要让两个轴构型在反应过程中持续互变，并由催化剂选择性捕获其中一种构型。对于瞬态七元桥连体系，较高的环张力与旋转能垒使这一动态动力学拆分尤具挑战。

南京工业大学胡玉静、郭凯团队等利用底物在醛式与七元环内半缩醛之间的动态平衡，构建了首个经瞬态七元桥连中间体实现的生物催化轴手性动态动力学拆分平台。经蛋白质工程获得的两种醇脱氢酶可分别制备 R 与 S 产物，最高收率达 99%，对映体比最高达到 >99:1 或 <1:99，并完成克级放大及多样化衍生。

关键结果

动态动力学拆分（DKR）要求底物的两个轴构型能够持续互变，同时催化剂对其中一种构型具有足够快、足够高选择性的转化能力。五元和六元桥连中间体的旋转能垒通常约为 4–18 kcal/mol，而七元桥连类似物多高于 21 kcal/mol，因此其构型互变更慢，对催化剂提出了更苛刻的动力学与立体控制要求。

本研究的设计要点是：联芳基醛/苄醇底物可逆形成瞬态七元环内半缩醛，借助这一桥连形态降低联芳基轴的旋转能垒；工程化 ADH 随后进行高度立体选择性的羰基还原，将动态互变的底物池汇聚为单一轴构型的联芳基二甲醇。

图 1｜瞬态桥连中间体参与的轴手性 DKR 及本研究的七元内半缩醛策略。图片来源：原论文

研究团队首先从 ADH/KRED 库中筛选能够识别七元内半缩醛并还原其醛基的酶。野生型 CcPAR 与前期获得的 CpAR2-M3 表现出互补立体偏好：二者对模型底物的转化率分别为 96% 和 92%，产物 R:S 分别为 93:7 与 5:95。

在分子动力学模拟辅助下，作者采用 FRISM 聚焦理性迭代定点突变策略。CcPAR 仅经一轮、32 个设计突变体的筛选即获得 V158L（CcPAR^aar1），优化后以 96% 收率生成 R 产物，e.r. 为 99.6:0.4。

CpAR2-M3 经两轮迭代，先后引入 T125S 和 I213F，得到 CpAR2^aar1。优化后 S 产物收率达到 94%，e.r. <1:99。两种酶在 0.5 mmol 规模、3 h 内分别给出 85% 和 87% 分离收率，且对映纯度不下降。

图 2｜对映互补 ADH 的发现、FRISM 工程化与模型反应表现。图片来源：原论文

对于醛基芳环 6 位取代的一系列底物，无论取代基呈供电子还是吸电子性质，多数均可获得超过 60% 的收率，CcPAR^aar1 与 CpAR2^aar1 通常分别给出 ≥99:1 和 ≤1:99 的 e.r.。醇基芳环其他位置的取代也具有较好兼容性，15–22a 的收率为 60%–92%，双向 e.r. 通常分别达到 ≥98:2 与 ≤2:98。

当醛环和苄醇环的角色互换时，作者得到一组“flipped”底物。CcPAR^aar1 对该系列仍表现出较宽的适用范围，多数底物以 60%–94% 收率和通常 >99:1 e.r. 转化；CpAR2^aar1 则对这一取向明显敏感，多数仅有低至中等收率，立体控制也有所下降。

该体系并非没有边界。4/4′ 位体积较大的取代、萘基或杂芳基骨架往往降低反应性；底物 14a 的轴构型互变慢于酶促还原，因此反应中动力学拆分贡献增大，转化率与选择性随之下降。

图 3｜醛环取代底物与“翻转”底物的适用范围。图片来源：原论文

CcPAR^aar1 的细胞裂解液和全细胞形式均能高效催化底物 4a，产率为 86%–88%，e.r. 为 99:1。进一步采用全细胞体系，在 4.0 mmol、1.0 g 底物规模上获得 742 mg 轴手性产物 4b′，分离收率 74%，e.r. 仍为 99:1。

所得二醇可转化为苄基溴化物，烯丙基侧链也可经 Prilezhaev 环氧化而不损失轴手性纯度。CpAR2^aar1 同样可用于制备规模反应：8a 在 100 mg 规模得到 57% 分离收率和 0.6:99.4 e.r.；2a 在 1.15 mmol 规模、4 h 内得到 75% 分离收率和 1:99 e.r.。

此外，CcPAR^aar1 催化 11c 的 1.0 mmol 反应可获得 76% 分离收率和 99.9:0.1 e.r.，所得硝基芳烃还能进一步还原为轴手性苯胺，体现出该平台作为手性合成模块的延展性。

图 4｜全细胞/裂解液催化、克级放大及轴手性产物衍生。图片来源：原论文

时间过程实验显示，两种工程酶从反应早期开始便维持稳定的产物对映选择性；与此同时，残余底物的两个轴构型比例始终接近 1:1，仅在少数早期时间点轻微偏至 47:53，随后重新回到约 50:50。这说明底物构型互变能够持续补充被酶选择性消耗的那一部分，符合经典 DKR 特征。

DFT 计算给出了关键的能垒差异：醛式底物 1a 直接绕联芳基轴旋转需跨越 39.1 kcal/mol，在反应条件下几乎不可能消旋；形成七元内半缩醛 1a′ 后，旋转能垒降至 23.7–24.5 kcal/mol。按 Eyring 方程估算，其消旋半衰期约为 1–4 h，恰好落在酶促反应的时间尺度内。

因此，七元内半缩醛并不是“瞬间自由互变”的物种，而是仍具有一定构型持续性。高效 DKR 的实现依赖两件事同时成立：底物互变足够快，以及酶对两个轴构型的还原速率差异足够大。

图 5｜时间过程分析以及醛式底物与七元内半缩醛的轴旋转能垒。图片来源：原论文

在 CcPAR^aar1 中，S126 通过氢键锚定底物的苄醇羟基；S126A 几乎完全失活。V158L 突变则调整了口袋上方空间，使 R 型底物更容易形成适于氢负离子转移的姿态，催化 Tyr 与羰基氧之间的距离由 5.8 Å 缩短至 4.0 Å。

CpAR2^aar1 中底物采取相反的结合方向，与其 S 选择性一致。S124/S125/S126 三联体协同定位底物，其中 S124 的影响最明显；I213F 可能通过与邻近环区的空间作用打开结合口袋。工程化后，NADPH C4 与羰基碳的距离由 4.6 Å 缩短至 3.9 Å，催化 Tyr 与羰基氧的距离由 4.6 Å 缩短至 2.9 Å。

这也解释了两种酶对“翻转”底物的不同表现：CcPAR^aar1 仍能保持总体一致的 R 选择性结合方向，而 CpAR2^aar1 难以同时满足底物锚定与氢转移几何要求，因而活性和立体选择性均明显下降。

图 6｜两类 ADH 工程化前后的代表性结合构象。图片来源：原论文

总结

该研究把醛/内半缩醛平衡、轴构型动态互变与 ADH 立体选择性还原耦合起来，首次实现了经瞬态七元桥连中间体进行的生物催化轴手性 DKR。FRISM 以较小的突变库快速获得 CcPAR^aar1 和 CpAR2^aar1，从而能够按需制备两个相反构型的联芳基二甲醇。

从方法学上看，这项工作的价值不只是一组高 e.r. 产物，更在于展示了一种可推广的设计逻辑：先借助可逆成环暂时降低轴旋转能垒，再用工程酶在羰基还原步骤中锁定目标构型。这为更高阶瞬态桥连体系和更多轴手性骨架的生物催化构建提供了新的切入点。

原文信息

Biocatalytic Dynamic Kinetic Resolutions Enable Enantiodivergent Access to Axially Chiral Biaryl Dimethanols via Transient Seven-Membered Lactols

Jie Chen, Zhuoting Peng, Xiaolong Gao, Dengke Gao, Qianxi Zhou, Zhaoxuan Zhu, Ping Yang, Jindian Duan, Zheng Fang, Yujing Hu, Kai Guo

ACS Catalysis, 2026

DOI: 10.1021/acscatal.6c04659

本文根据论文正文及 Supporting Information 整理。图片来源于原论文，仅用于学术交流。