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生物(wu)催(cui)化(hua)(hua)与化(hua)(hua)学催(cui)化(hua)(hua)结(jie)合(he)对可持续合(he)成重要构建块具有巨大潜力，但(dan)酶对水(shui)性环(huan)境的严格要求及(ji)在苛刻(ke)条件下的稳定性不足，限制了高效级联反应的开发。传统金属催(cui)化(hua)(hua)常需有毒溶(rong)(rong)剂和苛刻(ke)条件，会导(dao)致(zhi)酶在有机溶(rong)(rong)剂中溶(rong)(rong)解度和活性降低。利用胶束(shu)制作的PCRM (Prefabricated Catalyst-Reactant Mixtures) 是(shi)一种用于整合酶促(cu)卤化(hua)与金(jin)属催(cui)化(hua)偶(ou)联反应(ying)的(de)关键策(ce)略, 可在水中实现有机与酶促(cu)反应(ying)的(de)串联，隔(ge)离酶与化(hua)学催(cui)化(hua)剂，为解决两者兼(jian)容性问(wen)题(ti)提供可能。基于此(ci)，研(yan)究团队开发(fa)H³CP平台，整合酶促与金(jin)属(shu)两种催化优势，实(shi)现(xian)区域选择性(xing) C-H 官能化。

平台核心组成：（图1）

酶(mei)促卤(lu)化：利用黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）依赖的卤化(hua)酶(mei)（FDHs）和(he)钒依赖的卤过(guo)氧化(hua)物酶(mei)（VHPOs），对底物进行区域选择(ze)性卤化(hua)，为(wei)后续交叉偶联反应引入溴原子。

赫(he)克偶联(lian)：在胶束PCRM于水中形(xing)成的原位反应(ying)容器中，进行水相(xiang)钯催化的赫(he)克偶(ou)联(lian)反(fan)应，实现(xian)碳-碳键的(de)形成。

酶(mei)促水(shui)解：使用猪肝酯酶（PLE）催化酯的皂(zao)化反(fan)应，得到目标丙烯(xi)酸产物。

（图1，来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

研(yan)究人(ren)员首先研(yan)究了区域(yu)选择性酶(mei)促(cu)卤化反(fan)应。他们利用黄素(su)腺嘌呤二核(he)苷酸（FAD）依赖性卤化酶（FDHs）和(he)钒依赖性卤过氧化物(wu)酶（VHPOs）对多(duo)种(zhong)底物(wu)进行选择(ze)性官(guan)能化。筛选三种 FDHs（RebH、PrnA 和(he) PyrH），发(fa)现它们对 23 种不同(tong)底物表(biao)现出不同(tong)偏好(hao)。例如，PyrH 在 1a、2a、4a-6a 和(he) 14a 上表(biao)现最佳，PrnA 适(shi)用于 7a 和(he) 12a，RebH 则在 8a-11a 和(he) 13a 上效(xiao)果良好(hao)。引入 AmVHPO 拓展底物(wu)(wu)范围至 15a-23a，实现对茴香醚、取代苯酚、苯胺和杂环化(hua)合物(wu)(wu)的选择性卤化(hua)。（图(tu)2）

（图2，来(lai)源：Angew. Chem. Int. Ed.）

随后，研究(jiu)者将(jiang)酶促卤(lu)化(hua)与Heck偶联直接在(zai)(zai)同一容(rong)器中(zhong)结合(he)。其采用的(de)PCRM (Prefabricated Catalyst-Reactant Mixtures) 策(ce)略，作为预组装(zhuang)的(de)反(fan)(fan)应(ying)体系(xi)，能够在(zai)(zai)水性介质中(zhong)形(xing)成动态的(de)疏水反(fan)(fan)应(ying)微(wei)环(huan)境，将金属(shu)催(cui)化(hua)的(de)赫克偶联反(fan)(fan)应(ying)限制在(zai)(zai)胶束内(nei)核进行，同时(shi)兼容(rong)酶(mei)(mei)促反(fan)(fan)应(ying)的(de)水性外环(huan)境，避免(mian)酶(mei)(mei)与(yu)化(hua)学催(cui)化(hua)剂的(de)直接接触和失活，且简(jian)化(hua)了反(fan)(fan)应(ying)操(cao)作。即使存在(zai)(zai)酶(mei)(mei)促卤化(hua)步(bu)骤的(de)残留（如缓冲液、辅因子、酶(mei)(mei)等），反应产(chan)率也无显著下降。从(cong)而验(yan)证了(le)酶(mei)(mei)促卤(lu)化(hua)和 Heck 偶联反(fan)应可(ke)以在同一(yi)反(fan)应体系中直(zhi)接进行(xing)。（图3&4） 

（图3，来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

（图4，来(lai)源：Angew. Chem. Int. Ed.）

作者随后(hou)将卤化(hua) - Heck偶联 - 水解三步(bu)反(fan)应整合(he)，对多种底物进行转化(hua)。其水解步骤可直接利用前序反应(ying)液(ye)，无(wu)需去除 PCRM成分(fen)，实验表明这些(xie)成分(fen)对(dui)水解酶的活性无(wu)显著抑制(zhi)。（图5） 

（图5，来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

基(ji)于此，作(zuo)者(zhe)对H³CP进行放(fang)大应用(yong)。初始测(ce)试表明(ming)，放(fang)大反应中产率大幅降低是由(you)于，大规模反应(ying)中(zhong)酶(mei)易受温(wen)度(du)波动、底物(wu)浓度(du)不均(jun)等因素影(ying)响(xiang)而导致酶活性下(xia)降或酶的稳定性不(bu)足，从而进一(yi)步导(dao)致卤化步(bu)骤(zhou)效(xiao)率下降。且所用的卤化(hua)酶FDHs和AmVHPO需通过重组E. coli表达(da)并纯(chun)化，非(fei)商(shang)业可得，大(da)规模(mo)反应中若(ruo)直接使用(yong)游离酶(mei)，会因酶(mei)的(de)大量消耗(hao)导致成(cheng)本(ben)剧(ju)增(zeng)。

因此，研(yan)究者针对两种不同类型的卤化酶（FDHs与VHPO），分别采(cai)用了交联酶聚集体（CLEAs）和分子量截留（MWCO）膜(mo)封(feng)装酶两种策略。

使用CLEAs策略得到(dao)的(de)酶催化(hua)剂CLEA-FDHs，增强了结构稳(wen)定性，重(zhong)复使用后(hou)活性仍(reng)超90%。适配的辅因子再生系统有效降低了对NADH的消(xiao)耗。

MWCO膜封装酶Encapsulated-AmVHPO，可以允许底物/产物透过膜，有效避免酶与金属催(cui)化剂直接接触，防止生物(wu)催(cui)化剂的(de)失活(huo)且易于更换。通过缓冲液洗涤再生酶活性，保(bao)留100%催(cui)化能力(li)。适用(yong)于VHPO催化的卤化反应类型。

两种策略均提升酶稳(wen)定性与循环使用能力(li)，突破传统酶促反应(ying)放(fang)大时因酶易失活导致的产率衰减问题，成功将(jiang)反(fan)应(ying)放大至1 mmol规模。（图6）

（图6，来(lai)源：Angew. Chem. Int. Ed.）

方(fang)法创新(xin)：H³CP 平台有效解决了酶促与化(hua)学催化(hua)的反应不相容(rong)性问题，为开发多功能、可持(chi)续的chemo-enzymatic级联反应提供了新思路。

绿(lv)色合成(cheng)价值：在温和水性条件下操作，减少有机溶剂使用，符合绿色化学理念，为复杂分子的经济、环保合成提供有力工具。

未来(lai)应(ying)用前景：该平台在药物合成、农用化学品和先进材料制备等领域具有广阔应用潜力，有望推动可持续生物与化学合成的进一步创新。

慕尼黑工业大(da)学Ran Zhu为论文的第一作者，亥姆霍兹药物研究所与德累斯顿工业大学Tobias Gulder为通讯作者。Tobias A. M. Gulder教授于2014年加入慕尼黑工业大学并担任生物系统(tong)化学教(jiao)授(shou)（W2），2019年成为德累斯顿工业大学技(ji)术(shu)生(sheng)物(wu)化学主席（W3），并担(dan)任《天(tian)然产(chan)物(wu)报告(gao)》（Natural Product Reports）的主编(bian)。随后于2023年担任(ren)亥姆(mu)霍兹制药研究所(suo)（HIPS）的部门(men)负责人。Tobias Gulder课题组在HIPS中(zhong)致(zhi)力(li)于为有前景(jing)的天然产物开发创(chuang)新合(he)成策略。

课题(ti)组主(zhu)页：//www.helmholtz-hips.de/de/forschung/people/person/prof-dr-tobias-gulder/

文献详情：

Regioselective C-H Functionalization by the Combination of Enzymatic and Chemocatalytic Reactions in Water.

Ran Zhu, Xuhua Mo, Tanja Gulder, Tobias Alexander Marius Gulder*. 

Angew. Chem. Int. Ed. 2025

//doi.org/10.1002/anie.202504378

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