Angew. Chem. ：生物催化立体选择性合成手性硫杂环丙烷

硫杂环丙烷是一类重要的含硫杂环化合物，它们不仅展现出多种生物活性，而且在有机合成和多聚物合成方面也扮演重要的角色。手性硫杂环丙烷化合物在医药应用方面已表现出引人注目的潜力，如抗癌试剂epitiostanol和MMP-9抑制剂(R)-ND-336。

然而，手性硫杂环丙烷的合成通常需要使用光学纯的原料及手性试剂或辅助试剂，发展硫杂环丙烷立体选择性合成策略仍存在许多挑战。近期，冯小明院士团队和吴云东院士团队合作，利用自主开发的手性双氮氧金属配合物作为催化剂，实现了α-重氮吡唑酰胺与硫酮的催化不对称(2+1)环加成反应，构建了一系列四取代的手性硫杂环丙烷类化合物，并对该反应的机理进行了密度泛函理论计算（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202201151）。此外，2021年诺贝尔化学奖得主Benjamin List教授以手性磷酸为催化剂，以硫内酰胺为有机硫供体，实现了对环氧化物立体选择性硫化反应，通过动力学拆分策略为手性硫杂环丙烷的合成提供了一种有效合成途径（J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 5230-5233）。

遵义医科大学陈永正教授、万南微教授团队通过卤醇脱卤酶生物催化剂的挖掘筛选和定向进化，建立了一种生物催化立体选择性合成手性硫杂环丙烷的技术路线，获得手性硫杂环丙烷产品的光学纯度高达98% ee。该方法以廉价易得的硫氰酸盐（NaSCN）为无机硫供体，在更加温和的条件下实现了环氧化物的立体选择性硫化反应，为手性硫杂环丙烷的合成提供了一种更加绿色、经济的生物合成技术路线。

首先，作者们以环氧苯乙烷（1a）为模板底物，NaSCN为硫供体（作为反应的亲核试剂），对近30种卤醇脱卤酶催化剂进行筛选，成功获得一种来源于Alphaproteobacteria bacterium 32-64-14微生物的卤醇脱卤酶HHDHapb，其催化模板底物获得硫杂环丙烷2a的光学纯度可达83% ee (R)。紧接着，作者们利用蛋白质工程手段对卤醇脱卤酶HHDHapb的立体选择性进行分子改造，经过两轮轮迭代饱和突变，获得一个优良的双突变体HHDHapb-M4 (I137C/Y181F)，其催化动力学拆分立体选择性大幅度提升（E=136）。反应3小时，环氧底物(R)-1a和硫杂环丙烷产物(R)-2a的光学纯度分别为97%和94% ee。动力学拆分基本完成，但硫杂环丙烷的产率仅为16%，远小于动力学拆分最大50%的理论产率。他们对反应过程分析，推测可能有两种原因导致产率较低：（1）环氧开环中间体未完全异构化为硫杂环丙烷（2）硫杂环丙烷在单一的水相反应体系中不稳定，易自发脱硫生成烯烃。

接下来，为了提高手性硫杂环丙烷产物的产率，作者们对卤醇脱卤酶催化的反应过程进行了系统考察，作者们发现通过水-正己烷（5:1）两相反应体系可以有效抑制硫杂环丙烷产物的自发脱硫过程，显著提高硫杂环丙烷的产率。在此基础之上，作者们进一步对两相反应体系中的缓冲液及pH、亲核试剂NaSCN的当量及反应温度进行优化，最终发现该反应在偏碱性的缓冲液Gly-NaOH (pH 9.0)，0.7当量NaSCN，25℃反应8小时可以获得手性硫杂环丙烷(R)-2a的产率为42%，光学纯度为96% ee。

在此基础之上，作者们对反应的底物普适性进行考察。对12种芳基取代环氧底物进行立体选择性生物硫化反应，获得对应的手性硫杂环丙烷的分离产率为20-39%（部分产物易挥发，导致低的分离产率），光学纯度为86-98% ee，动力学拆分选择性E值高达>200。其中，该反应对苯环间位取代的底物展现出更好的立体选择性。

与此同时，作者们以苯基缩水甘油醚（1m）作为烷基取代的环氧底物，对该反应进行考察，发现所有的突变体表现出较低至中等的立体选择性。作者们进一步以立体选择性最佳的突变体HHDHapb-M2 (I137Q)作为亲本酶，经过几轮迭代饱和突变成功获得了一个四突变体HHDHapb-M7 (A82T/I137Q/F140H/A173P)，其可催化1m立体选择性硫化，获得手性硫杂环丙烷(R)-2m的分析产率和光学纯度分别为43%和90% ee。进一步，作者对14种烷基取代的环氧化合物进行考察，获得对应的手性硫杂环丙烷的分离产率为31-43%，光学纯度为82-92% ee。

此外，作者们也通过克级反应和衍生化反应证实了该反应的高效性和可拓展性。最后，作者们通过对反应中间物的分离和鉴定，结合相关文献，对卤醇脱卤酶催化立体选择性合成手性硫杂环丙烷的反应过程进行了研究，给出了一种可能的反应过程。

综上所述，作者们发展了一种卤醇脱卤酶催化环氧化物立体选择性硫化合成手性硫杂环丙烷的生物催化技术路线，不仅为手性硫杂环丙烷的制备提供了一种绿色合成策略，同时也拓展了生物催化的反应类型和应用范围。

论文信息

Biocatalytic Thionation of Epoxides for Enantioselective Synthesis of Thiiranes

Ran Ma,+ Xia Hua,+ Cheng-Li He, Hui-Hui Wang, Zhu-Xiang Wang, Bao-Dong Cui, Wen-Yong Han, Yong-Zheng Chen,* and Nan-Wei Wan*

遵义医科大学2019级硕士研究生马冉和2021级硕士研究生华夏为该论文共同第一作者，王慧慧、崔宝东和韩文勇老师，以及研究生何承利和王翥翔也为该工作出了一定的贡献，陈永正教授、万南微教授为该论文共同通讯作者，该工作得到国家自然科学基金等项目的大力支持。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202212589