手性化合物在药物、农药、香料以及功能材料等领域具有重要应用价值，因此发展高效、可持续的手性分子合成方法始终是有机化学研究的核心方向之一。传统的不对称合成策略通常依赖手性催化剂直接构建立体中心，而对于外消旋底物的转化，动力学拆分是一种常见方法，但其理论产率受限于50%。

为突破这一限制，研究者提出了对映收敛催化的概念，即将外消旋底物的两个对映体转化为同一手性产物，从而实现接近100%的理论产率。这一策略近年来在化学催化和生物催化领域均受到广泛关注。

邻二醇（vicinal diols）是一类重要的手性结构单元，不仅广泛存在于天然产物与药物分子中，还可作为不对称催化中的配体或有机催化剂。因此，开发高效、绿色的方法构建手性邻二醇具有重要意义。

研究背景

目前制备手性邻二醇的经典方法包括：

• Sharpless 不对称双羟化
• Jacobsen 环氧化物动力学水解
• 酶催化还原或水解反应

尽管这些方法已取得重要进展，但仍存在一些局限，例如底物范围有限或需要分离对映体。

在对映收敛合成方面，目前主要存在三种策略：

1. 动态动力学拆分（DKR）
   通过底物消旋与动力学拆分结合，实现全部底物转化为单一对映体产物。
2. 动态动力学不对称转化（DKAT）
   外消旋底物首先转化为同一无手性中间体，再通过不对称催化形成手性产物。
3. 对映收敛平行动力学拆分（EPKR）
   两个对映体通过不同反应路径最终生成同一手性产物。

然而，EPKR 在化学和生物催化中的实例仍然十分有限。

卤代醇脱卤酶（HHDH）是一类具有多功能催化活性的酶，不仅可以催化β-卤代醇脱卤生成环氧化物，还能够促进环氧化物与多种亲核试剂发生开环反应，因此在手性分子合成中具有广阔应用潜力。

作者注意到亚硝酸根（NO₂⁻）在环氧化物开环反应中具有双重反应性：既可以通过氮进攻（N-attack），也可以通过氧进攻（O-attack）。其中 O-attack 会生成不稳定的硝酸酯中间体，随后自发水解形成邻二醇，为对映收敛合成提供了新的可能。

主要内容

 1 酶筛选与蛋白质工程

作者首先筛选了 36 种 HHDH 酶用于催化外消旋苯乙烯环氧化物的亚硝酸盐开环反应。实验结果表明，大多数酶能够催化反应，但对映选择性较低。

其中 HheC表现出最佳活性和一定程度的对映收敛能力。

随后研究者通过定点饱和突变（SSM）和结构指导的蛋白质工程对该酶进行改造，重点突变以下三类关键位点：

• 底物芳环结合位点
• 环氧基团相互作用位点
• 亲核试剂结合位点

经过多轮突变优化，最终获得三突变体：

HheC-M6（F12Y / P84T / F86W）

该突变体在模型反应中能够以 94:6 er 的对映选择性生成目标邻二醇。

2 外消旋环氧化物的对映收敛转化

在优化条件下，作者考察了多种芳基取代环氧化物的反应性能。

结果表明：

• 多种对位或间位取代的芳基环氧化物均可顺利转化
• 产率通常为 81–89%
• 对映选择性 91:9 – 95:5 er

此外，含有较大体积取代基（如萘环）的底物也能够顺利反应，说明体系具有较好的底物适用性。

作者还进行了克级放大实验，成功获得克级手性邻二醇产物，并进一步转化为碳酸酯、亚硫酸酯等衍生物，证明该方法具有良好的合成应用潜力。

3 β-卤代醇的串联反应体系

除了直接使用环氧化物外，研究者还提出了一种串联生物催化策略：

β-卤代醇
→（HHDH 脱卤）→ 环氧化物
→（亚硝酸盐开环）→ 邻二醇

该一锅法反应同样表现出良好的效率：

• 产率：61–82%
• 对映选择性：80:20 – 96:4 er

这一策略的优势在于可以避免不稳定环氧化物的分离和储存问题。

4 机理研究

为阐明反应机理，作者结合以下方法进行了系统研究：

• X-ray 晶体结构解析
• 分子动力学（MD）模拟
• QM/MM 计算

研究发现：

• (R)-环氧化物倾向于在 Cβ 位点被进攻
• (S)-环氧化物倾向于在 Cα 位点被进攻

因此两个对映体分别通过不同路径生成不同中间体：

(R)-IntA
(R)-IntB

随后这些中间体均通过水解转化为同一构型的 (R)-邻二醇，从而实现对映收敛。此外，计算结果表明酶催化显著降低了反应能垒，并控制了区域选择性和对映选择性。

总结

该研究构建了一种基于卤代醇脱卤酶的生物催化平台，实现了外消旋环氧化物和β-卤代醇向手性邻二醇的高效对映收敛合成。通过蛋白质工程获得的突变体 HheC-M6 能够在温和条件下实现高转化率和优异对映选择性，同时具有良好的底物普适性和克级放大潜力。机理研究表明，该体系通过对两个底物对映体实施互补的区域选择性开环，从而使不同反应路径最终汇聚到同一手性产物，属于一种非传统的对映收敛平行动力学拆分策略。该工作不仅拓展了生物催化在手性邻二醇合成中的应用，也为发展新型对映收敛催化体系提供了新的思路。

文章链接

https://doi.org/10.1021/acscatal.5c05849