分子間(內)非共價鍵結的調控

化工與材料工程系蔡少偉教授

人們描述大千世界萬物運轉時，總會因時制宜提出巨觀或微觀的模式來說明其中運作的原理，譬如行星間的運行、分子間的吸引與排斥作用、化學反應中原子的重排等，並期望因此得以最佳化與實用化，甚至能預測新現象或孕育出新創見，來提昇人類物質文明。分子間(內)非共價鍵結(主要包括離子靜電吸引、氫鍵、鹵素鍵、CH/π 接觸、凡德瓦爾力等吸引力以及極性排斥力)的調控在化學、材料科學與生命科學領域扮演非常重要的腳色，可能改變觸媒催化良窳、影響材料結構及其光、電性質、調整藥物作用功效或是新陳代謝速率。

過去數年個人研究主題聚焦於如何利用具有立體選擇性的酵素，開發有應用潛力的綠色酵素製程，以取代傳統藥物合成過程中使用非生物觸媒的步驟。就產品導向而言，當鏡像目標藥物或其前驅物確定後，就會依據酵素工程(包括酵素來源篩選、前處理與固定化、其基因之定點突變、多點突變、或定向演化表現等)、介質工程(各種影響催化表現之操作變因，如溫度、溶劑、pH值等)、以及基質工程(使用不同基質)三個方向調控可用的變因，以期提高酵素立體選擇性、反應性與穩定性。由於目前尚無一套有效方法能夠定量(甚或只有定性)預測酵素催化行為，因此初步篩選酵素種類與來源、反應條件、基質與反應型態仍屬必要。在此過程，酵素催化與有機化學反應原理仍不能輕忽，因為它們可能就是突破製程瓶頸的關鍵。

如下圖所示，(1R,2S)-2-(p-benzamide)phenylcyclopropyl amine (Valente et al., Eur J Med Chem, 94, 163-174, 2015) 可用於抗憂鬱(為單胺氧化酶-A 抑制劑)及抑制基因表現(為離胺酸特異去甲基酶抑制劑)，其製備過程必須考慮以下問題:

一、從有機合成觀點來說，是否能找到適合的非對稱(生物或非生物)觸媒與原料，直接合成高純度目標鏡像產物或其前驅物?

二、是否僅能利用一般觸媒先合成兩對比率不同且具兩個鏡像異構中心的順式及反式外消旋物 2-(p-benzamide)phenylcyclopropyl amine 或其前驅物?其次利用結晶(或層析)分離獲得反式外消旋物，最後再使用分割劑進行傳統動力分割獲得目標產物或其前驅物。又是否能找到具高立體選擇性酵素(如脂肪分解酶(lipase)、蛋白質分解酶(protease)、或酯分解酶(esterase)等醯基水解酶)，可有效進行 trans-2-(p-benzamide)phenylcyclopropyl amine 或其前驅物之動力分割?

三、上述兩問題中是否必須先合成 2-(substituted)phenylcyclopropyl amine或其前驅物，然後再利用有機合成將得到的(1R,2S)-2-(substituted)phenylcyclopropyl amine 苯環上鹵素或硝基取代基轉換為對-苯甲醯胺基，或者將酸前驅物 (1R,2R)-2-(substituted)phenylcyclopropyl acid 轉換為目標產品?

四、從酵素動力分割而言，是否能夠從其反應機構推測速率，決定步驟中 free energy 最高的過渡狀態?進而考量基質結構設計或酵素來源，增加過渡狀態分子 enthalpy，再經過 entropy 的補償作用，還能夠降低個別鏡像基質過渡狀態之自由能，如此不但可以提高酵素反應性，甚至還可能達到增加酵素立體選擇性的效果。

五、就如下圖的構想，是否應於有機溶劑中進行脂肪分解酶水解動力分割 trans-2-(halogen)phenylcyclopropyl 1,2,4-triazolide，然後再以水溶液萃取分離可以獲得高光學純度 (1R,2R)-2-(2-halogen)phenylcyclopropyl acid，以便進一步利用有機合成法製備目標產物。

這些疑問能否獲得解答，甚至進而開發出具有產業競爭力的酵素製程，需要仰賴持續不斷的嘗試與努力。