第一作者：Pengfei Ji
通讯作者：John F. Hartwig
通讯作者单位：加州大学伯克利分校
图1. 酶催化酮还原合成手性醇
虽然过渡金属催化反应中单核金属氢化物中间体过程进行的反应极为常见，但是对于自然界中广泛的酶催化反应而言，目前并未有发现或者相关报道具有类似催化反应过程。如果能够在金属酶中实现类似过渡金属催化反应过程，能够扩展酶催化反应的种类。
有鉴于此，加州大学伯克利分校John F. Hartwig等报道了在含Zn的碳酸酐酶（carbonic anhydrase enzyme），通过催化硅烷和酮进行负氢转移还原，将酮还原为手性醇，实现了较高的对映选择性。对该反应进行机理，验证了反应通过单核Zn-H中间体，展示了生物不相关的硅烷能作为还原反应物，用于酶催化反应过程。该反应过程中，单核结构正电性金属的氢化物（通常在酸性质子环境中不稳定），能够兼容到酶催化反应中作为中间体。总之，本文在分子催化和生物催化之间搭建了桥梁。
过渡金属催化和酶催化
图2. 目前的人工酶催化反应方法学Artificial Metalloenzymes: Reaction Scope and Optimization Strategies, Chem. Rev. 2018, 118, 1, 142–231
过渡金属催化反应的机理和生物相关酶催化的机理是不同的，将非生物相关的中间体引入金属酶催化过程，能够很好的扩展酶催化反应的种类和范围。虽然目前该基于该想法实现了一些进展，但是相对于X型配体的相关例子，基于官能团转移的例子较少，尤其是对于单核结构金属-负氢结构的过渡金属催化反应。
催化体系构建
基于过渡金属-负氢的酶催化体系基本上都是基于共轭修饰或者通过超分子相互作用修饰在蛋白中的人工金属酶（Ir、Rh、Ru等配合物分子）结构实现。在天然酶催化反应中，通过多核金属-负氢中间体过程进行反应（比如氢化酶）通常在相关文献中有报道，但是其中主要通过电子转移，而不是负氢转移过程。
Zn酶在生物系统中的各种金属酶中极为重要，其中碳酸酐酶受到广泛研究，其能够将CO2转化为碳酸。其中酶催化反应中，通过Zn作为Lewis酸性位点、酶中的酰胺N-H键提供氢键作用，在亲电试剂上进行羟基亲核试剂加成。
由此，作者尝试将这种亲核羟基变为亲核性负氢过程，实现对不饱和底物的加成。该过程中使用的锌酶能够方便的进行大量合成，而且避免使用贵金属。同时，由于该催化剂无需将蛋白和辅酶结合，非生物相干的反应能够通过细胞直接进行，避免了提纯蛋白作为催化剂。
催化反应
图3. 反应优化
反应实施。以吡啶乙酮作为底物，3倍量PhSiH3作为提供负氢的试剂，将人碳酸酐酶作为催化剂，在Tris缓冲液（pH 8）中和20 ℃中进行催化反应，实现了将吡啶乙酮对映选择性转化为吡啶羟基甲醇。通过氘代标记芳基硅氢烷作为反应物，验证了在产物中成功标记氘代氢，产率达到＞99 %，对映选择性达到98 % ee，氘代选择性达到99 %。而且，在克级放大合成实验中，以93 %的分离收率进行反应收取1.2 g产物，反应对映选择性达到97 % ee。
底物拓展
图4. 底物拓展（部分）
在优化后的反应条件中，作者进行了底物的拓展测试，展示了对不同电子结构、立体结构、携带活性官能团的底物有较好的兼容性。苯乙酮、4-氯苯乙酮、4-溴苯乙酮的反应产率分别能达到89 %（94 % ee）、＞99 %（＞99 % ee）、81 %（＞99 % ee）。芳基对位含有给电子基团（甲基、甲氧基、硫代甲氧基），反应收率有所降低（51~81 %），但是对映选择性得以保持99 % ee。芳基2-/3-位点上含有溴、甲氧基、氯取代基，具有高立体位阻作用（双取代、三取代芳烃），同样能够同时得到高产率和高对映选择性。该反应方法学对芳基乙基酮、氟甲基酮、芳杂环结构、酮同样有高反应活性和对映选择性。
反应机理
图5. 反应机理
反应催化中心。通过控制性实验，对人碳酸酐酶的变体进行催化反应效果测试，系统性的测试和调控酶的残基极性、体积对反应性能的影响。将非极性残基调整为极性，催化反应无法有效的进行。此外，分别验证了反应并不是被其他结构（NAD(P)H、其他类型的Zn酶、细胞中的其他功能结构等）催化，从反面验证了催化活性中心为人碳酸酐酶。
反应机理。通常酮被芳基氢硅烷的还原反应有两种可能的反应机理，Zn作为Lewis酸性位点活化羰基基团、或者活化硅烷中的负氢。
作者通过实验，验证了该反应中首先形成Zn-负氢物种，随后负氢转移到酮分子，整个催化反应需要两步。这种反应过程和以往基于生物催化还原反应机理不同。作者通过混合量子力学/分子力学（QM/MM）DFT计算对反应机理进行验证。
参考文献：
Ji, P., Park, J., Gu, Y. et al. Abiotic reduction of ketones with silanes catalysed by carbonic anhydrase through an enzymatic zinc hydride. Nat. Chem. (2021).
DOI: 10.1038/s41557-020-00633-7
https://www.nature.com/articles/s41557-020-00633-7
