选择性C-H氧化反应代表着有机合成中最重要也最具挑战的转化，化学法实现选择性C-H氧化反应大多需要借助导向基实现。相较于化学方法，酶催化的C-H氧化既拥有高选择性，也展示出对官能团的低依赖与高兼容性。值得一提的是，底物在无保护基的前提下就可能实现酶的连续C-H氧化。考虑到上述优点，逆合成分析中，使用生物催化引入氧化态的方式受到了学术界与工业界的广泛关注。在天然产物中，具有较高活性的分子往往也是相应家族中氧化态较高的分子。以labdane及相近的drimane骨架为例，具有生物活性的化合物如nimbolide和forskolin相较于没有氧化态的母核(化合物1, 9, 图1)，分别具有6个和9个氧化态。为了实现labdane型骨架氧化态的引入，许多课题组使用化学或生物催化的手段对商业易得的香紫苏内酯、香紫苏醇和降龙涎香醚进行了C-H氧化的尝试并且取得了不错的效果(图1)。然而，由于不同方法适用底物不同，在同一个底物上连续引入氧化态仍然存在巨大的挑战。

图1：部分labdane型与杜马烷型骨架天然产物与labdane型骨架C-H氧化研究进展

针对上述难题，上海交通大学变革性分子前沿科学中心李健团队综合运用酶库筛选、定向进化和连续化学氧化实现了labdane型骨架母核的全面氧化。此外，为了展示化学酶法氧化在实际合成中的可行性以及线性合成复杂天然产物的潜力，李健团队完成了nimbolide形式合成。该工作以“Chemoenzymatic Oxidation of Labdane and Formal Synthesis of Nimbolide”为题发表在期刊《Journal of the American Chemical Society》上。

图2：化合物1, 2, 3, 18, 19的酶库筛选结果

图3：化合物20的酶库筛选结果

为了实现酶和化学方法的连续氧化，李健团队首先对六个具有labdane型骨架的，商业可得或易于制备的化合物(1, 2, 3, 18, 19, 20, 图2)进行了酶库的筛选，并最终选取了氧化产品更丰富的脱氢香紫苏内酯(20, 图3)作为底物，展开了后续定向进化与连续氧化的尝试。

图4：α-KG依赖的双加氧酶AndA的定向进化。a. AndA野生型的定向进化。b. 天然底物与AndA野生型共晶中的结合姿态与活性位点氨基酸残基。c. 本报道中9,11-脱氢香紫苏内酯酶法C-H氧化的总结

由于AndA对脱氢香紫苏内酯氧化效率低，通过分析已知文献报道的AndA的晶体(图4b)，李健团队首先选取酶活性中心附近的三个大位阻氨基酸(69与70位的异亮氨酸和139位的亮氨酸)进行了饱和突变。其中，69位异亮氨酸突变成酪氨酸后，AndA的转化率明显提升，且生成C6α羟基的产品。基于该突变体，对120号氨基酸和138号氨基酸进行饱和突变，分别得到了单一的C6α羟基和C1α羟基的产品38与37(图4a)。至此，李健团队实现了脱氢香紫苏内酯C1、C2、C3、C5和C6位点的选择性氧化(图4c)。

图5：基于化合物20的酶法和化学接力氧化

在得到上述氧化产品以及实现位点选择性氧化的酶后，李健团队综合运用酶法和化学方法连续氧化，得到如图5所示的二十个基于脱氢香紫苏内酯的多位点全面氧化的产品。其中，化合物38可以通过Suarez和AndA突变体的C-H氧化得到具有nimbolide A/B环骨架与C1氧化态的中间体55。

图6：无保护基的Nimbolide形式合成

为了展示化学酶法C-H氧化的可行性，李健课题组选取化合物55作为前体，经过9步，实现了nimbolide的形式合成(图6)。

综上所述，李健团队通过酶库筛选与定向进化实现了脱氢香紫苏内酯位点选择性的C-H氧化。在确定这些功能独特的酶后，综合运用酶和化学方法在单氧化态产品上连续氧化，得到了二十个脱氢香紫苏内酯全面氧化的衍生物。这种协同氧化的策略实现了labdane型骨架A/B环系所有位点氧化态的精准引入。通过使用中间体55，李健团队实现了nimbolide高效形式合成。这种整合了酶库筛选、定向进化与化学转化的变革性的逆合成策略为构筑其他具有复杂氧化态的萜类、甾体和生物碱类天然产物提供了范例。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c07956

第一作者：刘孝涛、许瑶瑶

通讯作者：李健

通讯单位：上海交通大学变革性分子前沿科学中心