近日，中国科学院南海海洋研究所闫岩研究员和我校黎婉珊副教授在《Journal of the American Chemical Society》上在线发表了题为《Epoxide-Mediated Carbon Dioxide Coupling Yields the Five-Membered Cyclic Carbonate in Cytosporin Biosynthesis》的研究论文。该研究阐明了真菌来源Cytosporin的生物合成途径及其中五元环碳酸酯的生物合成机制。
有机碳酸酯（Organic Carbonates,OCs）是碳酸与醇形成的酯类化合物,在材料科学、合成化学和医药等领域具有广泛应用，将二氧化碳（CO₂）高效转化为有机碳酸酯的催化过程是可持续化学和能源研究中的关键目标。在现有策略中，将CO₂与环氧化物偶联生成环碳酸酯是实现CO₂利用最具技术可行性和应用前景的途径之一，尽管用于该转化的高性能催化剂已取得大量研究进展，但现有技术仍存在明显局限：反应需要有机溶剂、依赖过渡金属催化剂，并且反应条件苛刻，往往需要高温高压，能耗较高。
近年来，越来越多结构新颖的有机碳酸酯类天然产物被成功分离鉴定，其结构形式多样，主要可以包括线性链型、小环（5–7元环）、中环（8元环）以及大环体系，其中五元环碳酸酯在天然产物中最为常见（如图1）。例如，源自链霉菌的大环aldgamycin E和双环[7.3.0]十二碳二炔NCS Chrom A，植物来源的愈创木烷型倍半萜hololeucin和木脂素衍生物cycloolivil carbonate，以及由真菌产生的四氢蒽醌ocauxarthrol A和cytosporin E。同位素标记实验揭示细菌来源化合物aldgamycin E和NCS Chrom A中的五元环碳酸酯是通过无机碳酸氢盐的掺入形成。最近鉴定的四蛋白复合物通过氨甲酰基化、N-羟基化和非酶促酯化最终形成五元环碳酸酯。Cytosporins是一类真菌来源meroterpenoids，以六氢苯并吡喃骨架为特征，具有血管紧张素II结合抑制和免疫抑制活性。其中cytosporin E是首个被发现含有五元环碳酸酯的成员。虽然多功Baeyer-Villiger单加氧酶已被证明能催化真菌代谢物cytochalasin Z16中大环碳酸酯的形成，但在真菌天然产物中，五元环碳酸酯形成的机理和驱动力仍未得到阐明。
图1代表性的五元环状碳酸酯结构及其生物合成机制
通过对产生菌Eutypella sp. F0219进行了基因组测序和分析。发现化合物1来源于高度还原型聚酮合酶产生的水杨醛前体，与trichoxide和flavoglaucin具有相似的生物合成逻辑。以HRPKS VirA为探针，鉴定了一个约46.8 kb的候选基因簇cyt，与vir和fog簇中编码的大多数蛋白具有较高的同源性。其中cyt簇包含15个基因（图2）。在cyt簇所有后修饰酶功能表征完成后，化合物1中五元环碳酸酯形成的酶学机制仍然未知。由于cyt簇中无酶可负责碳酸酯环形成，从而考虑了自发非酶促反应的可能性。比较cyt簇生物合成酶学途径的终产物2与化合物1的结构，推测碳酸酯环可能源于无机碳酸氢盐。为了验证这个猜测，将2在pH 6.0–8.0的水溶液中与碳酸氢钠孵育6小时，结果呈pH依赖性：当pH ≥ 7.0时，可以观察到化合物2向五元环碳酸酯1的显著转化；当pH > 7.5时，化合物2的水解反应占主导，产物14为主要产物。这表明五元环碳酸酯可在中性水溶液条件下自发形成。
图2cyt基因簇同源基因序列比对及其异源表达
为阐明碳酸酯环形成机理，使用18O标记的碳酸氢盐探究1中氧原子的来源。当反应以18O标记碳酸氢盐进行时，产物1显示4 Da的分子量增加，从而提示化合物1中有两个18O原子被标记。13C NMR中18O诱导的同位素位移显示C5和C20均出现轻微高场位移，确认1中的O21和O22均来源于碳酸氢盐。相比之下，水解产物14的13C NMR仅显示C5的同位素位移，表明碱性条件下O21来源于溶剂水。
为了评估该自发CO₂偶联反应的普适性，测试了cytosporin类似物9、17–20的反应活性。单环衍生物9在pH 7.0无反应（碱性条件下发生环氧水解而非碳酸酯形成），而双环底物17–19和三环衍生物20均成功反应生成相应五元环碳酸酯。这表明除了环己烯环上的C4–C5环氧和C6-羟基外，稠合的四氢吡喃环对偶联反应也至关重要，其存在可能通过向环氧引入额外张力从而增加底物反应性。为探究C7脂肪族侧链的贡献，研究者将2臭氧化后用硼氢化钠或二甲硫醚还原分别得到31和32，两者在pH 7.0水溶液中均能形成相应碳酸酯产物，表明C7脂肪族侧链不影响CO₂偶联反应性（图3）。
图4 ¹⁸18O标记实验及底物选择性考察
本研究完成了Cytosporin生物合成全部酶的鉴定与功能表征，借助异源表达与底物饲喂实验，完整解析了其生物合成途径。首次揭示了Cytosporin中五元环碳酸酯通过非酶促、环氧介导的CO₂偶联反应在中性水溶液条件下形成，并通过同位素标记和反应动力学实验予以证实。该非酶促五元环碳酸酯生成机制，是天然产物生物合成中一种全新的反应策略。
从应用角度来看，二氧化碳与环氧化物偶联制备五元环碳酸酯，是CO₂资源化利用领域兼具技术可行性与经济潜力的重要路线。本研究发现，底物环氧中间体可以直接与碳酸氢根（水溶液环境下CO₂的存在形式）在pH 7.0中性水溶液条件下发生偶联反应得到目标五元环碳酸酯，无需额外催化剂，也不需要外界能量输入，和传统工业催化体系需要有机溶剂、过渡金属、高温高压苛刻条件形成鲜明对比。该发现不仅拓展了人们对天然产物生物合成过程中CO₂固定化学的认识，也为开发环境友好的有机碳酸酯绿色合成新路线提供重要启示。
中国科学院南海海洋研究所肖华助理研究员为第一作者， 闫岩研究员和我校黎婉珊副教授为通讯作者。该项研究得到了国家重点研发计（2023YFA0914200）和国家自然科学基金(22267006,22477125,22177116)等项目的资助，也是热带药用资源化学教育部重点实验室的重要代表性成果之一。
题目：Epoxide-Mediated Carbon Dioxide Coupling Yields the Five-Membered Cyclic Carbonate in Cytosporin Biosynthesis
期 刊 ：Journal of the American Chemical Society
DOI ：https://doi.org/10.1021/jacs.6c12612