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手性环氧类化合物是有机合成中的重要合成砌块,可以衍生出一系列含手性官能团的化合物。生物催化环氧化可以实现高对映选择性催化,与传统的化学催化相比具有反应条件温和,环境友好等优点。
本论文主要研究了苯乙烯单加氧酶在催化合成光学活性环氧化合物中的应用,对假单胞菌属Pseudomonas sp.LQ26菌株中得到的较新颖的苯乙烯单加氧酶进行催化功能分析,着重利用该酶催化苯乙烯类化合物,以及原先报道不能作为苯乙烯单加氧酶催化底物的非共轭烯烃类化合物的不对称环氧化,得到光学活性环氧产物。
首先对来自Pseudomonas sp.LQ26苯乙烯单加氧酶(StyAB2)的酶催化功能进行分析,确定StyAB2具有催化苯乙烯类化合物不对称环氧化得到光学纯产物功能,还可以催化非共轭烯烃的不对称环氧化。另外,发现StyAB2可以催化烯烃的不对称水合反应并对该反应过程进行探索,确定StyA催化烯烃水合加成反应并具有不对称选择性。为提高StyAB2的催化效率,对该酶催化反应体系进行了初步的优化,包括温度,pH和有机溶剂。
StyAB2催化苯乙烯类底物不对称环氧化中,主要对双键上具有不同取代基团的底物进行了考察,发现取代基团电子效应、空间位阻和取代基位置等都对该酶催化反应活性具有较大影响。特别是当底物双键上具有吸电子效应的基团时,该酶无法催化此类烯烃环氧化,而在双键取代基团上引入给电子的羟基基团时,酶催化效率大幅度提高。取代基位置对该酶催化反应活性的影响方面,烯键a-位取代基团对酶催化活性影响比β-位取代的大,当取代基团空间位阻增大时,这种差别也越大。StyAB2催化苯乙烯类环氧化都得到(S)-环氧产物并具有很高的ee值(ee>99%)。
StyAB2催化非共轭烯类底物不对称环氧化研究中,发现该酶催化烯丙基苯类化合物不对称环氧的选择性不高。当在烯键邻位引入羟基时,该酶不但表现出很高的对映选择性(ee>99%),而且还具有很高的非对映选择性(de98),最终得到光学纯缩水甘油类产物。StyAB2在催化二级烯丙醇类化合物时,苯环上取代基位置会影响酶催化环氧化邻位识别能力和反应活性。另外,本研究首次利用苯乙烯单加氧酶催化脂肪族二级烯丙醇的不对称环氧化,但是其对映选择性和非对映选择性都有所降低。底物中烯键邻位羟基取代基团对酶催化反应的选择性和活性都具有很大的帮助,结合计算机辅助的分子对接分析和定点突变对其作用机理进行了初步的研究,发现第200位苏氨酸对该酶在催化过程的邻位识别能力具有较大的贡献。