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Angew. Chem. Int. Ed:酶、空气和氨气温和绿色合成腈类

Angew. Chem. Int. Ed:酶、空气和氨气温和绿色合成腈类

Angew. Chem. Int. Ed:酶、空气和氨气温和绿色合成腈类

【研究背景】

    催化酶杂乱是一种酶催化化学中的现象,目前有报导使用生物催化方法在温和条件下生成腈,但没有关于使用酶催化醇生成腈的报导。目前合成腈的一般方法包括以下几种:酰胺脱水、酸-腈交换、Sandmeyer和Rosenmund-von Braun反应、过渡金属催化氰化、亲电氰化物转移和自由基裂解反应等。但是,这些方法通常需要有毒氰化物,反应条件需要加热。目前报导的无氰化物制备腈方法,操作步骤复杂。因此直接由醇生成腈受到关注,但是这需要金属和/或有机催化剂,且有机氧化剂和铵盐超化学计量。使用分子氧取代化学氧化剂可以提高原子利用效率,减小对环境的影响。目前有报导在MeCN中,使用Cu(II)或使用Fe(III)/TEMPO可将醇有氧转化为腈,但是反应条件需要高温。


【成果简介】

阿姆斯特丹大学的Francesco G. Mutti教授课题组,在研究过程中发现,使用甲酸铵缓冲液,纯化后Strep标记的半乳糖氧化酶(GOx)催化苄基醇(1a)氧化成苯甲醛(1b)的过程中,意外形成了1.2 %的苄基腈(1c)(方案1),并针对这一现象进行深入研究,在温和、无毒条件下由醇生成相应的腈。相关文献” Catalytic Promiscuity of Galactose Oxidase: A Mild Synthesis of Nitriles from Alcohols, Air and Ammonia”发表在Angew. Chem. Int. Ed上。

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方案1 通过半乳糖氧化酶催化醇生成腈


【研究亮点】

1.发现半乳糖氧化酶的一种新的混杂活性;

2.研究出在温和、无毒条件下有醇生成腈的方法。


【图文导读】

Angew. Chem. Int. Ed:酶、空气和氨气温和绿色合成腈类

图1 反应条件优化及底物范围确定。(A)铜的影响;(B)pH的影响;(C)过氧化氢酶的最佳使用量;(D)铵盐的浓度;(E)温度的影响;(D)氧来源。

要点解读

(A)图中显示,在Tris-HCl缓冲液中,40 min后测量的苄基醇转化为苄基醛的转化率,随着Cu2+和纯化GOx比例的增加而逐渐升高。在Cu2+/GOx的比值为60 : 1时,转化率最大。缓冲液换为HCOONH4后趋势类似。因此后续采用50 : 1的摩尔比进行研究。(B)由于在GOx酶循环过程中可能产生H2O2在一定浓度下导致酶活性降低,所以pH为9的条件下转化率最高。(C)过氧化氢酶的添加对反应产生了积极影响,而且添加量很小。(D、E)当苄基腈的收率达到最大时,对应的温度为30℃,NH3/NH4+的比值为400-600 mM。(F)增大空气或氧气的压力只能小幅度提高苄基腈的收率,且消耗能量,因此常压进行反应是最佳反应条件。

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图2 使用CFE由醇生成腈。在不同NH3/NH4+和GOx浓度下(A)苄基腈的收率和(B)TON值;(C)可用于此类反应的底物。

要点解读

    (A)实验采用的GOx为大肠杆菌无细胞提取物,节省了时间和成本,且保留了更高的GOx活性。使用CFE的苄基腈收率变化趋势与使用纯化GOx类似。(B)使用CFE,在优化条件下,由苄基醇生成苄基腈的反应TON上升到3300,已经可以用于大规模生产。(C)在图中反应条件下,除了环己基甲醇(16a)、2-吡啶基甲醇(19a)、2-苯基乙醇(20a)和3-苯基-1-丙醇(21a)之外,所有其他醇都转化为腈。同源系列中,与对位(2c、5c、8c)和间位(3c、6c、9c)相比,邻位含有吸电子基团的苄基醇转化率更高。给电子基团甲基可逆转此结果,2-氟苄醇(4a)转化为2-氟苄基腈(4c)可获得最高收率为70%。

表1 使用GOx或蛋白从1b或1d生成腈。[a]:加入H2O2;[b]:未加入Cu2+

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要点解读

    由醇生成腈的机理,通过探索醛1b生成腈1c的非酶促或非特异性反应,说明了GOx的催化杂乱性。表1说明腈1c仅在GOx存在的条件下由醛1b生成。H2O2对反应有不利影响。而不是由苯甲醛肟(1d)脱水生成。而对于醛生成腈的途径可能有两种,1)通过与氨反应形成亚胺,随后氧化成腈;2)亚胺形成,随后羟基化成肟并最终脱水成腈。实验未发现1d生成1c,证明腈是通过亚胺中间体直接氧化生成的。


【总结与展望】

    在此工作中,发现了半乳糖氧化酶的一种新的混杂活性,它是从相关醇对应的腈,仅使用氨作为氮源和分子氧作为无害氧化剂。本方法具有显着的优点,例如在水性介质中反应、反应条件温和、操作简单和原子利用率高。此外,以CFE方法得到的GOx可以将TON增加至合成适用水平并避免任何纯化步骤。未来的研究将集中在寻找其他混杂的铜依赖性醇氧化酶,这些氧化酶在结构不同的醇上具有活性,能够更广泛地应用这种新的生物催化反应。

【文献链接】

Catalytic Promiscuity of Galactose Oxidase: A Mild Synthesis of Nitriles from Alcohols, Air and Ammonia. Angew. Chem. Int. Ed.,2018, DOI: 10.1002/anie.201809411

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201809411?af=R

供稿丨深圳市清新电源研究院

部门丨媒体信息中心科技情报部

撰稿人丨清新电源

主编丨张哲旭

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