仿乳酸消旋酶的蝎型催化剂计算设计

近日，中国科学院化学研究所的杨新征（点击查看介绍）团队受乳酸消旋酶活性中心结构和反应机理的启发，计算设计了一系列有潜力高效催化乳酸消旋反应的蝎型催化剂（图1）。

图1. (SCS)Ni钳形配合物催化的乳酸消旋反应

乳酸是自然界最小的手性分子，在食品、医药、精细化工等领域具有广泛的应用。乳酸有L-与D-乳酸两种光学异构体，其中D-乳酸参与细菌细胞壁的合成。自然界中生物得到乳酸的方式主要有两种，一种是丙酮酸在相应乳酸脱氢酶（L-LDH和D-LDH）的作用下得到对应的乳酸（L-乳酸和D-乳酸），另一种是在乳酸消旋酶（Lactate racemase）的作用下L-乳酸与D-乳酸之间相互转化。最近，Desguin等人解析出植物乳杆菌内乳酸消旋酶的晶体结构，发现其活性中心是SCS配体与Ni螯合的钳形配合物（图2）。这是首次在天然金属酶的活性中心发现的钳形结构，为设计非贵金属小分子乳酸消旋化催化剂提供了重要的借鉴。

图2. Desguin等人报道的乳酸消旋酶活性中心晶体结构

通过对乳酸消旋酶活性中心结构和催化机理进行研究，杨新征团队受蝎子形状的启发，保留配合物中的SCS钳形结构，以与金属配位的碳作为蝎嘴用来“吃”hydride，同时用带有两个碳链的咪唑为蝎尾来“叮”proton，使氢转移反应能够顺利进行，从而构建了一系列具有蝎型结构的配合物（图3），并计算预测了其催化乳酸消旋化反应的潜力。

图3. 杨新征团队提出的蝎型配合物结构

以配合物A为例，其可能的催化乳酸消旋机理如下图4所示。

图4. 配合物A催化乳酸消旋化反应的Proton coupled hydride transfer机理

杨新征团队利用密度泛函理论（DFT）的方法计算预测了上述SCS钳形配合物催化乳酸消旋化反应的详细机理。新设计的结构中能垒最低为25.9 kcal/mol，表明其可在较温和的条件下催化乳酸的消旋化反应。除此之外，这些新型SCS配体的特点在于蝎尾的C−C单键可以自由旋转，使新设计的配合物在反应中具有很大的空间灵活性，有潜力催化更多醇类分子的手性转化。该研究不仅仅提出了可供实验合成的新型催化剂的结构，同时也揭示了SCS钳形配体的潜在用途，为进一步设计不对称氢化、脱氢的非贵金属催化剂提供了良好的借鉴和思路。这一成果近期发表在Chemical Communications 上，文章的第一作者是中科院化学研究所的博士研究生邱兵。

该论文作者为：Bing Qiu, Xinzheng Yang

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A bio-inspired design and computational prediction of scorpion-like SCS nickel pincer complexes for lactate racemization

Chem. Commun., 2017, 53, 11410, DOI: 10.1039/C7CC06416K

导师介绍

杨新征

http://www.x-mol.com/university/faculty/31087