萜烯化学合成的高效工艺

诸平

Fig. 1 Professor Tanja Gulder. Photo: Swen Reichhold, Leipzig University

Fig. 2 In the illustration, the catalyst – the cat – gives a carbon chain a persistent form, which is represented by the clamps. In reality, the strongly binding solution acts as a catalyst in which hydrogen atoms have been replaced by fluorine atoms. The “glue” is the reaction. Illustration: Dr Christoph Selg

据德国莱比锡大学（Leipzig University）2023年2月16日报道，该校的研究人员开发了化学萜烯合成的有效工艺（Efficient process for chemical terpene synthesis）。

由莱比锡大学有机化学研究所（Leipzig University’s Institute of Organic Chemistry）塔妮娅·古尔德（Tanja Gulder）教授领导的科学家团队与雷根斯堡大学（University of Regensburg）的同事一起，开发了一种人工生产萜烯（terpenes）的简单有效方法。萜烯是一类非常广泛和多样化的天然产物，它们在自然界中发挥着广泛的功能，也被用于工业。到目前为止，生产它们需要各种各样的起始场景，有些条件恶劣，或者一直基于从自然界中提取的物质。另一方面，新方法遵循灵活且节省资源的模块化原则。这允许从简单易得的起始材料中有针对性地生产这些重要的天然物质。去做这个，该团队使用氟化酒精/催化剂溶液复制了自然发生的酶促过程。该方法可广泛应用于现有实验室。相关研究成果于2023年2月17日已在《自然通讯》（Nature Communications）杂志网站发表——Andreas M. Arnold, Philipp Dullinger, Aniruddha Biswas, Christian Jandl, Dominik Horinek, Tanja Gulder. Enzyme-Like Polyene Cyclizations Catalyzed by Dynamic, Self-Assembled, Supramolecular Fluoro Alcohol-Amine Clusters. Nature Communications, Published: 13 February 2023. Volume 14, Article number: 813. DOI: 10.1038/s41467-023-36157-0. https://www.nature.com/articles/s41467-023-36157-0

参与此项研究的除了莱比锡大学的研究人员之外，还有来自德国慕尼黑工业大学（Technical University Munich, Garching, Germany）、、德国雷根斯堡大学（University of Regensburg, Regensburg, Germany）的研究人员。

萜烯赋予松针香气，赋予啤酒和橙汁味道。它们在昆虫等生物以及我们人类如何进行交流及防御机制方面发挥着关键作用，例如在植物中对抗动物捕食者、真菌和细菌。在人类生物学（human biology）中，萜烯在代谢过程中也起着重要作用。

萜烯长期以来一直在工业上大规模使用：用于食品和食品补充剂的生产、香水和药物的生产，例如抗癌药物和COVID-19药物。“我们每年需要相当多吨的各种萜烯，这意味着我们还必须能够以高效和可持续的方式合成生产它们-这是一个大问题，”莱比锡大学仿生催化（Biomimetic Catalysis）教授塔妮娅·古尔德说。

在自然界中，酶通过靶向折叠形成萜烯（In nature, enzymes form terpenes through targeted folding）

塔妮娅·古尔德说：“大自然有一种独特的方式来制造这些分子化合物中的每一种。这涉及使用所谓的萜烯环化酶（terpene cyclases），即具有100到1,000个氨基酸的蛋白质。这些酶将简单且可移动的碳链压成特定的三维形式，从而决定产品的外观。”一旦反应发生，相应萜烯的形状就保持不变。反应发生在酶活性中心的所谓酶袋（enzyme pocket）中，该酶袋带有要产生的形式的蓝图。反应完成后，酶会释放成品，并用下一个构建块重复该过程。“它可以被认为是一个快速移动的分子制造机器，”塔妮娅·古尔德说。

有些萜烯在原子化合物的类型和数量方面相似-但其空间排列不同。“在一个简单的例子中，这种原子差异决定了某种东西尝起来像香菜还是橙子一样的味道，”塔妮娅·古尔德说。然而，这种差异也可能意味着一种萜烯在人体中的作用与另一种完全不同。这里的错误可能会导致致命的后果。“根据碳链进入酶袋的方式，会产生不同的萜烯，这也是自然界复杂性的一部分，”塔妮娅·古尔德解释道。

到目前为止提取困难（Extraction difficult so far）

研究人员指出，以前在实验室中重建萜烯的方法需要非常不同和苛刻的初始条件，例如高酸性环境或低温，并补充说这对于大规模生产既无效也不环保。从植物、动物和真菌等生物体中提取萜烯也已达到极限。“就像你不能砍掉所有的太平洋紫杉（Pacific yews）来分离紫杉醇（taxol）作为抗癌药物一样。”塔妮娅·古尔德说，这种分布不是很广泛的树种的12颗成熟标本的树皮才能制造出一克活性成分。目前，所需萜烯的前体是从另一种树种的针叶中提取的，然后进行进一步加工。“所以我们想看看如何在试管中复制自然的过程，并获得最大的灵活性和效率。”

在上述图2（Fig. 2）中，催化剂猫给碳链一个持久的形式，这是由夹具表示。实际上，这种强结合的溶液就像催化剂一样，其中的氢原子被氟原子所取代。这种“胶水”（“glue”）就是反应。

解决方案：含氟酒精的液体施工套件（The solution: Liquid construction kit with fluorinated alcohol）

该团队成功地为萜烯的形成构建了一个定制的、类似酶的环境，由现成的化学物质组成。这可以像建筑工具一样工作：通过添加不同的起始材料和充当催化剂的添加剂，可以人工生产不同的萜烯。新方法的核心是氟化醇的特性：“我们发现，当醇中的氢原子被氟原子取代时，生成的氟化醇表现出极高的结合力。在这样的解决方案中，分子形成螺旋或环，堆叠形成管，”塔妮娅·古尔德教授解释道。通过添加化学品，可以影响这些结构的大小和形状。“基本上，我们以结构化溶液的形式构建了一个人工酶袋，我们各自的起始材料可以折叠到其中。与自然界一样，形式在反应后仍然存在。”

计算机模拟也被用来开发这种新方法。塔妮娅·古尔德教授解释说：“我们的同事菲利普·杜林格（Philipp Dullinger）和雷根斯堡大学的多米尼克·霍利内克（Dominik Horinek）教授计算了在每种情况下使用的添加剂形成的醇的三维结构及形状，这对于确定可以引导我们获得所需萜烯的合适催化剂非常重要。”

可在标准化学实验室中实现（Realisable in standard chemistry laboratories）

该方法不需要任何额外的基础设施，可以在化学实验室中应用，无需额外费用，并且可以很容易地放大以应用于大规模生产。更重要的是，该过程不需要重金属或贵金属。“这使得它比以前的方法具有更广泛的适用性和可持续性，”曾是慕尼黑工业大学的海森堡教授塔妮娅·古尔德解释说，“这是莱比锡大学和刚刚在莱比锡地区批准的CTC主要研究中心对多功能催化进行前瞻性研究的一个例子。”它的重点将是工业环境中的可持续催化。

该项目由德国研究基金会(Deutsche Forschungsgemeinschaft简称DFG)艾米-诺特计划{DFG—Emmy-Noether program (DFG, GU 1134-3); TRR 325 (444632635); RTG 2620 and SPP 1807资助。德国化学工业基金会提供了博士奖学金（Fonds der Chemischen Industrie for a PhD Fellowship），还有德国沃尔克斯研究基金会也提供了博士奖学金（Studienstiftung des deutschen Volkes for a PhD Fellowship）。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Terpene cyclases catalyze one of the most powerful transformations with respect to efficiency and selectivity in natural product (bio)synthesis. In such polyene cyclizations, structurally highly complex carbon scaffolds are built by the controlled ring closure of linear polyenes. Thereby, multiple C, C bonds and stereocenters are simultaneously created with high precision. Structural pre-organization of the substrate carbon chain inside the active center of the enzyme is responsible for the product- and stereoselectivity of this cyclization. Here, we show that in-situ formed fluorinated-alcohol-amine supramolecular clusters serve as artificial cyclases by triggering enzyme-like reactivity and selectivity by controlling substrate conformation in solution. Because of the dynamic nature of these supramolecular assemblies, a broad range of terpenes can be produced diastereoselectively. Mechanistic studies reveal a finely balanced interplay of fluorinated solvent, catalyst, and substrate as key to establishing nature’s concept of a shape-selective polyene cyclization in organic synthesis.