Dual-function enzyme catalysis for enantioselective carbon–nitrogen bond formation

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作者
Zhen Liu,Carla Calvó-Tusell,Andrew Z. Zhou,Kai Chen,Marc Garcia‐Borràs,Frances H. Arnold
出处
期刊:Nature Chemistry [Springer Nature]
卷期号:13 (12): 1166-1172 被引量:44
标识
DOI:10.1038/s41557-021-00794-z
摘要

Chiral amines can be made by insertion of a carbene into an N-H bond using two-catalyst systems that combine a transition metal-based carbene-transfer catalyst and a chiral proton-transfer catalyst to enforce stereocontrol. Haem proteins can effect carbene N-H insertion, but asymmetric protonation in an active site replete with proton sources is challenging. Here we describe engineered cytochrome P450 enzymes that catalyse carbene N-H insertion to prepare biologically relevant α-amino lactones with high activity and enantioselectivity (up to 32,100 total turnovers, >99% yield and 98% e.e.). These enzymes serve as dual-function catalysts, inducing carbene transfer and promoting the subsequent proton transfer with excellent stereoselectivity in a single active site. Computational studies uncover the detailed mechanism of this new-to-nature enzymatic reaction and explain how active-site residues accelerate this transformation and provide stereocontrol.
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