先睹為快
作者
日本千葉大學藥學系Hajime Sato教授
日本東京大學藥學系Masanobu Uchiyama教授
研究對象
巴西烷型天然產物trichobrasilenol的生物合成途徑
計算方法
密度泛函理論（DFT）
計算軟件
GRRM11， Gaussian 16
計算細節
所有計算均采用基于Gaussian 16程序的GRRM11。結構優化在氣相下M06-2X/6-31+G（d,p）水平上進行；并在同一水平上計算振動頻率，以檢查每個優化結構是能量最小點（無虛頻率）還是過渡態（單一虛頻率）；通過內稟反應坐標（IRC）追蹤過渡結構到相應的局部極小值的最小能量路徑（MEP）；在M06-2X優化結構的基礎上，計算mPW1PW91 /6-31+G(d,p)水平下的單點能量；本文討論的吉布斯自由能是通過加入氣相吉布斯自由能修正來計算的；最終的羥基化反應，采用自洽反應場（SC RF）方法，采用極化連續介質模型（PCM）對溶劑化進行了評價。
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巴西烷型倍（Brasilane-type）半萜類化合物的研究由來已久，但其生物合成途徑和機制尚不清楚。最近，有課題組鑒定了一種木霉萜環化酶，該酶能催化產生巴西烷型倍半萜- trichobrasilenol，并利用同位素標記法研究該天然產物形成的機理，然而，在所提出的機理中,高度協同的骨架重排的可行性備受爭議。本文作者結合AFIR方法與DFT計算探究了trichobrasilenol（具有巴西烷型倍半萜的骨架）生物合成途徑中所有可能反應機制，提出了一種新的非常規骨架重排機制，涉及一個多步碳陽離子級聯，其中cyclopropylcarbinyl陽離子與homoallyl陽離子平衡起關鍵作用。這一途徑和機理與以往有關巴西烷類化合物及相關萜類化合物的生物合成研究（包括同位素標記實驗和副產物分析）是一致的。
研究內容
巴西烷型結構具有雙環[4.3.0]壬烷骨架，常出現在倍半萜類化合物中，但其生物合成途徑和機制目前還不清楚。近期，有兩個課題組分別鑒定了一種萜烯環化酶，該酶催化法尼基焦磷酸（FPP）形成巴西烷型骨架產物trichobrasilenol。Kuzuyama等人并利用同位素標記法研究該天然產物形成的機理（圖1）。在所提出的機理中，以5/7/3三環中間體為原料，通過復雜的協同反應，包括C?C σ鍵的置換和重排、環收縮、π鍵形成和區域選擇性羥基化等六個化學事件，最后合成巴西烷5/6雙環骨架；然而在所提出的機理中,高度協同的骨架重排的可行性備受爭議，并且無法解釋水分子只在C8位發生反應。因此，作者期望通過計算的手段來解析trichobrasilenol的生物合成機制。
圖1.?Trichobrasilenol生物合成的前期研究內容
圖片來源于：JACS
盡管量子化學計算在方法上取得了進展，但對于復雜化學反應的理論研究仍然存在挑戰，主要是因為這些反應涉及廣泛的鍵重排，存在許多可能的相關路徑，以往對這種復雜反應的理論研究大多只考察根據直覺和經驗選擇的少數幾種途徑。作者認為提出一個合理的生物合成途徑，有必要考慮可能的相關途徑，包括各種碳陽離子的作用以及鍵和骨架的重排。2013年Keiji Morokuma教授與Keiji Morokuma教授共同開發了一種，
圖2展示了FPP轉化為中間體IM8的最有利途徑以及與IM1有關的相對能量。反應開始于FPP焦磷酸鹽的解離，產生一個烯丙基陽離子中間體IM1，通過陽離子-π與遠端C10?C11雙鍵作用穩定。事實上，C11（+0.37 au）的自然居群分析（NPA）正電荷相比烯丙基陽離子（C1?C2?C3）更高。因此，陽離子介導的環化過程可以順利進行，形成所謂的humulyl陽離子中間體IM2，經過1,2-H遷徙，得到第一個較穩定的homoallyl陽離子（IM3）。從IM3中NPA電荷分布可以看出，homoallyl陽離子與相應的cyclopropylcarbinyl陽離子處于平衡狀態，其中高度扭曲的環丙烷C?C鍵有效地穩定了相鄰的碳正離子，因此，盡管IM3是二級C+離子，但它出人意料地穩定。接著經過一個cyclopropylcarbinyl陽離子過渡態（TS_3-4）形成5/7/3三環中間體IM4。隨后，連續兩次的1,2-H遷徙，歷經一個IM5中間，形成最穩定的三級碳陽離子IM6。中間IM6b包含一個高度扭曲的環丙環，其中拉長的C7?C9 σ軌道的參與有助于相鄰C6碳正離子的穩定。接著，經歷一個非常規骨架重排和環收縮過渡態TS b?7a，能壘為16.6 kcal/ mol，得到5/6雙環中間體（IM7a）。IM7a具有雙環[4.3.0]壬烷骨架，IM7a經歷很小的活化勢壘形成另一個環構象的IM7d，接著發生了1,2-H遷徙，得到了能量上更穩定的烯丙基碳陽離子IM8。最后，在C8位發生SN2′型水合反應，生成最終產物trichobrasilenol。但目前還不清楚最后的水合步驟是在酶的內部還是外部進行的。
作者對中間體IM7a做了進一步的IRC（內稟性反應坐標）計算（圖3）。結果表明這一步包括三個化學過程：（i）從5/7/3到5/6/4三環系統的骨架重排，形成環丁基叔碳陽離子（shoulder_b?7a），（ii）C8?C9 σ鍵斷裂和C7?C9 π鍵的形成產生homoallyl陽離子（TS_6b?7a），以及（iii）異丙烯基（shoulder2_6b?7a）通過1,2-遷徙得到另一個homoallyl陽離子（IM7a）。通過追蹤C6?C7?C8?C9上的鍵長和NPA電荷變化，結果與碳正離子重排過程一致。
圖2.?Trichobrasilenol生物合成全過程的DFT計算結果
圖片來源于：JACS
圖3.?IM6b向IM7a轉化過程中鍵長和NPA電荷變化及IRC結果
圖片來源于：JACS
結果與討論
綜上所述，作者通過分子、原子和電子尺度上的計算研究揭示了trichobrasilenol生物合成的反應途徑和機理（圖4）。從全局自由能曲線來看，整個反應在動力學（能壘沒有超過20kcal/mol）及熱力學上都是有利的（放出熱量約30kcal/mol），其中限速步鄹（能壘：16.6 kcal/mol）發生在(IM6b → TS_6b?7a)的非常規骨架重排（圖3），包括了三個過程：（i） 從5/7/3到5/6/4三環的骨架重排，（ii）σ鍵斷裂，（iii）異丙烯基的1,2-遷徙。新提出的催化機制成功地解釋其他萜烯和萜類化合物的形成。特別是，這項工作強調了cyclopropylcarbinyl陽離子和homoallyl陽離子的平衡關系在催化過程的重要性，可以作為萜烯生物合成的中間產物。?
圖4.?基于計算提出的Trichobrasileno及相關副產物A?F生物合成途徑
圖片來源于：JACS
參考文獻
Hajime Sato, et al. DFT Study of a Missing Piece in Brasilane-Type Structure Biosynthesis: An Unusual Skeletal Rearrangement. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 47, 19830–19834, DOI: 10.1021/jacs.0c09616