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Enzyme-catalysed [6+4] cycloadditions in the biosynthesis of natural products

周环反应 环加成 生物合成 化学 立体化学 加合物 天然产物 有机合成 生物催化 反应机理 催化作用 有机化学
作者
Bo Zhang,Kai Biao Wang,Wen Wang,Xin Wang,Fang Liu,Jiapeng Zhu,Jing Shi,Ling Yu Li,Hao Han,Kuang Xu,Hong Yun Qiao,Xiao Zhang,Rui Jiao,K. N. Houk,Yong Liang,Ren Xiang Tan,Hui Ming Ge
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:568 (7750): 122-126 被引量:102
标识
DOI:10.1038/s41586-019-1021-x
摘要

Pericyclic reactions are powerful transformations for the construction of carbon–carbon and carbon–heteroatom bonds in organic synthesis. Their role in biosynthesis is increasingly apparent, and mechanisms by which pericyclases can catalyse reactions are of major interest1. [4+2] cycloadditions (Diels–Alder reactions) have been widely used in organic synthesis2 for the formation of six-membered rings and are now well-established in biosynthesis3–6. [6+4] and other ‘higher-order’ cycloadditions were predicted7 in 1965, and are now increasingly common in the laboratory despite challenges arising from the generation of a highly strained ten-membered ring system8,9. However, although enzyme-catalysed [6+4] cycloadditions have been proposed10–12, they have not been proven to occur. Here we demonstrate a group of enzymes that catalyse a pericyclic [6+4] cycloaddition, which is a crucial step in the biosynthesis of streptoseomycin-type natural products. This type of pericyclase catalyses [6+4] and [4+2] cycloadditions through a single ambimodal transition state, which is consistent with previous proposals11,12. The [6+4] product is transformed to a less stable [4+2] adduct via a facile Cope rearrangement, and the [4+2] adduct is converted into the natural product enzymatically. Crystal structures of three pericyclases, computational simulations of potential energies and molecular dynamics, and site-directed mutagenesis establish the mechanism of this transformation. This work shows how enzymes are able to catalyse concerted pericyclic reactions involving ambimodal transition states. Enzymatic catalysis of pericyclic [6+4] cycloaddition reactions to form ten-membered rings is observed during biosynthesis of the macrocyclic antibiotic streptoseomycin, and the mechanism of these transformations is established.
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