天津工业生物所在生物催化含氮分子合成方面取得新突破

学术 2024-09-28 12:06 日本

含有氮氮键的官能团（如N-N，N=N键等）广泛存在于天然产物中，具有这类官能团的分子因其反应性和结构多样性而在合成化学中具有重要应用。当前，尽管在各类天然产物中都发现了含有氮氮键的各种化合物，但催化氧化偶氮键（N=N→O）成键的酶催化剂却极为少见。由于独特的结构，这类化合物表现出广泛的生物活性，例如抗真菌和细胞毒性作用等。现代化学需要首先合成氧化偶氮化合物从而创制多种多样的含氮类分子。氧化偶氮化合物可以通过利用硝基或氨基底物的氧化还原反应来合成。而催化氧化偶氮分子合成的酶目前仅限于硝基还原酶和AzoC非血红素双铁N-加氧酶两类酶。这两类酶须依赖昂贵的烟酰类辅酶，且在催化选择性控制、产物滴度提升等方面存在挑战。因此，发展新型的酶催化氧化偶氮分子的合成方法并对阐明关键催化机制具有重要科学意义。

近日，中国科学院天津工业生物技术研究所张武元研究员带领的生物有机与催化工程研究团队为拓展酶催化合成氧化偶氮类分子，分别从机理分析、反应设计等角度出发，建立了以非辅酶依赖的过氧合酶催化合成氧化偶氮分子的新方法（如图）。在过氧化氢共底物的存在下，过氧合酶可氧化苯胺类底物依次生成羟胺和亚硝基中间体，二者随后自发缩合生成氧化偶氮基产物。在设计的反应体系下，过氧合酶的催化周转数（TON）可达48450，催化周转频率为（TOF）为6.7^-1，是目前文献报道的最高值。该酶催化底物谱极广，实现了至少25个以上含有不同取代基的苯胺、含杂原子喹啉、和吡啶等氨基衍生物的催化氧化合成对应的氧化偶氮分子。同时，在该反应体系下也可实现分子间（如结构不同的两个苯胺底物）的氧化偶联反应，从而为合成结构丰富多样的氧化偶氮骨架分子提供了新方法。该反应体系易于放大，在6L的放量合成实验中共获得38.5g产品，分离收率为95.6%，无副产物积累。

过氧合酶催化氧化偶氮分子合成. a) 反应路线图；b) 过氧合酶催化氨基氧化能垒；c) 过氧合酶催化羟胺氧化能垒；d) 自发脱水缩合过程能垒；e) 6 L放量合成实验

最后，通过分子动力学模拟以及量子化学计算等方法，团队提出了过氧合酶催化合成的氧化偶氮分子的反应机理。过氧合酶首先与苯胺化合物结合，通过N-氧化机制生成羟胺，随后通过两个HAT 生成亚硝基苯。两个中间体苯羟胺和亚硝基苯最后自发脱水缩合生成氧化偶氮苯，势垒较低仅为15.7 Kal/mol。该研究在发展新型分子合成方法的同时，对丰富血红素类氧化酶的理论与技术方法具有重要意义。

该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、天津市合成生物技术创新能力提升行动的支持。相关结果在近日发表于国际学术期刊Nature Communications。天津工业生物所博士后李欢欢为该论文第一作者，张武元研究员、盛翔研究员及西安交通大学段培高教授为论文的通讯作者。天津工业生物所盛翔研究员和西安交通大学段培高教授分别在量子化学计算机理解析、化合物绝对构型鉴定等方面提供了大力支持，天津工业生物所结构生物学平台实验室刘卫东研究员、张洁工程师在蛋白与小分子化合物晶体结构解析方面给予了指导与帮助。

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