背景
前列腺素(Prostaglandins,PGs)是一种存在于动物和人体内的类激素脂质化合物，具有多样的生物活性和独特的化学结构。截止目前，已有20余种前列腺素药物被开发上市，其中基于天然活性前列腺素PGF2a（3）所开发的上市药物有氯前列醇（1）、比马前列素（2）、氟前列醇（4）、曲伏前列素（5）等（图1）。从上世纪60年代末，Corey实现PGF2a里程碑式全合成开始，前列腺素的全合成一直是有机合成方法学的一个试金石，国内外众多著名的有机化学家诸如Aggarwal、Hayashi、Grubbs、Fletcher、Nicolaou、Baran等都完成了前列腺素的简洁全合成。
图1：前列腺素结构
摘要
过去二十年，得益于飞速发展的生物信息学和蛋白工程技术，生物催化已日渐成为一个成熟的技术手段。相较于化学催化，生物催化往往具有不可比拟的化学、区域和立体选择性，因此在结构复杂分子如手性药物及生物活性分子的合成中起到至关重要的作用。近日，复旦大学陈芬儿院士研究团队基于在活性天然产物及药物分子全合成领域和生物催化领域的前期研究，在前列腺素的化学-酶法全合成研究工作中取得了重要工作进展。以Turner教授提出的生物催化逆合成分析为指导，通过立体选择性拜尔维力格单加氧酶CHMORhodo1和羰基还原酶ChKRED20催化的反应分别构建了前列腺素药物母核和侧链上的关键手性中心，以总共11-12步反应和3.8%-8.4%总收率实现了氯前列醇（1）、比马前列素（2）、前列腺素PGF2a（3）、氟前列醇（4）、曲伏前列素（5）的集成式全合成。该成果于2021年7月1日在线发表于Chemical Science。
内容
在以Corey内酯为关键中间体的前列腺素全合成路线中，主要合成难点在于1)高对映选择性的内酯环构建; 2)二醇的区域选择性保护; 3)下侧链羰基的高非对映选择性还原（图2）。通过生物催化逆合成分析，内酯环上的关键手性中心可通过拜尔-维立格单加氧酶（BVMO）催化的不对称B-V反应构建，二醇的区域选择性联苯甲酰基保护有望通过催化剂控制的仲羟基选择性保护实现，下侧链上的手性羟基可通过羰基还原酶（KRED）催化的不对称羰基还原获得。
图2：前列腺素的逆合成分析
基于上述设想，作者首先对不同的BVMO进行筛选，最终确定单加氧酶CHMORhodo1能够高对映选择性的不对称催化氧化二氯环丁酮，但遗憾的是目标产物的收率仅为25%，远低于最高50%的理论收率。调节反应pH以及温度均无法提高反应收率。另一方面，欣喜地发现加入有机共溶剂有助于提高产物收率。最终，在不影响反应对映选择性的前提下，选择乙二醇单甲醚（MME）为共溶剂，以38%的良好分离收率及99%的优异对映选择性完成了手性二氯五元环内酯的构建（图3）。
之后，研究人员将正常内酯7a通过连续流技术高效地转化为Corey内酯二醇10。在铜催化的区域选择性仲羟基联苯甲酰化研究中，通过设计、合成和筛选15种不同添加剂，发现芴环修饰的添加剂Ad12能够极大地促进反应的区域选择性，最终以9.3：1的区域选择性及73%的分离收率得到联苯甲酰化的目标产物11（图4）。该化合物经氧化和HWE反应转化为烯酮12a-12d。
在关键的羰基不对称还原反应中，作者通过筛选自己实验室保存的15种羰基还原酶，发现ChKRED20对模型底物12a表现出较高的催化活性和优异的立体选择性。进一步调控有机助溶剂的比例和底物浓度，能够以91%的分离收率和97.9：2.1的非对映选择性得到氯前列醇的关键中间体13a。采用该最优反应条件，比马前列素、前列腺素PGF2a、氟前列醇和曲伏前列素的关键中间体13b-13d也以80-90%的分离收率及87：13-99：1的非对映选择性被合成。最后，通过经典的Wittig反应作为关键步骤完成了上述五个前列腺素分子的不对称全合成（图5）。
图5：氯前列醇、比马前列素、PGF2a、氟前列醇和曲伏前列素的化学-酶法合成
综上，该研究发展了一条生物催化逆合成指导的前列腺素集成式不对称全合成路线。采用方便易得的双环二氯环丁酮为起始原料，以BVMO催化的立体选择性氧化（99% ee）、铜催化的区域选择性仲醇保护(9.3 : 1 rr)和羰基还原酶催化的非对映选择性烯酮羰基还原(87 : 13-99 : 1 dr)为关键步骤，通过总共11-12步反应和3.8-8.4%的总收率完成了五个前列腺素分子的全合成。该路线不仅为前列腺素的高立体选择性合成提供了可行方案，同时也展示了生物催化技术在合成结构复杂手性分子中的巨大潜力。
本文第一作者为复旦大学化学系直博生竺科杰，通讯作者为陈芬儿院士和黄则度青年研究员。该工作受到国家自然科学基金和上海市青年科技英才扬帆计划的支持。
原文刊载于【遇见生物合成】公众号
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