芳基甲醚广泛存在于自然界中，芳基甲醚的O-去甲基化能够产生多种具有抗炎、抗病毒活性的酚类物质。木质素是自然界中最大的芳香化合物的天然来源，含有大量的芳基甲醚结构，去甲基也是木质素进一步利用的关键步骤。化学法O-去甲基需要苛刻的反应条件，已报道的酶法需要甲基受体，并且伴随着副产物的生成，对甲基未能充分利用。近日，天津大学董敏课题组在美国化学会ACS Catalysis在线发表了题为“Reductive Photoenzymatic O-Demethylation of Aryl Methyl Ethers and Lignin Monoaromatics Produces Methane”的研究论文。设计了一种还原型光酶催化O-去甲基体系，能够对多种芳基甲醚和黄酮类化合物实现接近定量转化，产生等量的酚类化合物和甲烷。该过程不需要甲基受体参与。进一步将该系统应用于木质素碱裂解液（APL），发现多种芳基甲醚被高效的去甲基化产生酚类化合物和甲烷。机制研究表明该反应过程涉及甲基自由基。此研究为芳基醚O-去甲基化，木质素高值化利用以及从可再生资源生产甲烷提供了新的策略。
芳基甲醚在自然界中广泛存在，例如自然界第二大的生物质资源木质素含有大量芳基甲醚。而O-去甲基化是木质素高值化利用中关键而富有挑战的步骤。目前，化学法的芳基甲醚的O-去甲基化依赖于较为苛刻的条件，包括强酸、强碱、金属催化等。因此多种酶催化O-去甲基化方法已经被开发出来，包括细胞色素P450s、Rieske单加氧酶、Bayer-Villiger单加氧酶、过氧化酶、双加氧酶以及四氢叶酸（THF）依赖的去甲基化酶。其中细胞色素P450s、Rieske单加氧酶通过氧化完成O-去甲基化反应，THF依赖的去甲基化酶系统则在厌氧条件下完成O-去甲基化反应，是目前应用较多三种酶催化系统（图1）。然而以上方法都有其局限性，氧化法会伴随酚类产物的过度氧化，THF依赖的去甲基化酶需要大量THF辅因子。本研究设想能够利用THF依赖的去甲基化酶系统中的MTase Ⅰ和B12依赖类咕啉蛋白CP，将甲基转移到钴胺上生成甲基钴胺，在光照的条件下产生甲基自由基，在还原剂作用下甲基自由基被还原为甲烷，从而完成O-去甲基化反应（图1）。
图1 酶催化的芳基甲醚O-去甲基化
首先作者使用来自于Desulfitobacterium hafniense的O-去甲基化酶 MTase Ⅰ和类咕啉蛋白CP，以香草酸作为底物，选用柠檬酸钛作为还原剂在白光照射的条件下进行反应，发现能够以2%的产率生成3,4二羟基苯甲酸。而后作者对反应条件进行优化（表1），包括不同的还原剂（柠檬酸钛、甲基紫精-NADH、PSP2-NADH、5-脱氮核黄素），光源（紫光405 nm、蓝光450 nm、绿光520 nm）以及助溶剂（甲醇、DMF、DMSO），结果表明在甲醇作为助溶剂，紫光（405nm）照射以及使用5-脱氮核黄素作为还原剂的条件，达到>99%的产率。
表1 光酶催化O-去甲基化条件优化
之后作者为了验证反应中离去的甲基是否完全转化为甲烷（图2），在上述最优条件下对底物香草酸和甲烷进行监测定量，发现底物的消耗量与甲烷的生成量基本一致，说明离去的甲基完全转化为甲烷。此外还对其他还原剂的甲烷产量进行了定量，结果表明在其他还原剂参与的反应中离去的甲基也完全转化为甲烷。
图2 甲烷定量监测
作者选取16种常见的芳基甲醚底物进一步探索了该光酶催化体系的底物适用范围（图3），该体系可以兼容多种不同的取代基，对于大部分芳基甲醚底物，能够达到 >95%的产率。特别是对于高香草醇能够以97%的产率获得3,4二羟基苯乙醇，这是一种安全高效的抗氧化剂，能够用于多种治疗心血管药物的合成。此外作者为了测试去甲基化酶是否能够接受更大的底物，对黄酮类的底物进行了测试，对于3',5,7-三羟基-4'-甲氧基黄烷酮 （12a） 产率为63%, 香叶木素（13a）和金黄圣草素（13b）的产率达到>95%，证明了该光酶催化系统O-去甲基化潜力。
图3 底物拓展
为了进一步验证该光酶催化系统的应用潜力，作者使用玉米秸秆木质素的碱裂解液(APL) 作为底物，发现木质素含有的甲氧基单体（表2）中除了阿魏酸外，其他底物产率可以达到 >99%。有意思的是反应中甲烷生成量是小分子甲氧基底物消耗量的5倍左右，这个结果预示该光酶体系可以将木质素中一些聚合物去甲基化产生甲烷，进一步说明了该体系的应用潜力。
表2 木质素中甲氧基小分子O-去甲基化
最后，作者通过实验探究反应机理，自由基捕获实验（图4）、同位素示踪实验以及紫外光谱分析表明在反应过程中（图5），首先CP蛋白结合的钴胺（Cob(Ⅲ)alamin）中经光照还原为二价钴胺素（Cob(II)alamin）。随后，二价钴胺素（Cob(II)alamin）在光还原剂作用下进一步还原生成一价钴胺素（Cob(I)alamin）。这一高亲核活性中心在MTase Ⅰ的介导下攻击芳香族化合物上的甲基，生成甲基钴胺素。在紫光照射下，甲基钴胺素分解产生甲基自由基，后者被还原为甲烷。生成的二价钴胺素（Cob(II)alamin）在还原剂作用下再次被还原，从而进入新的催化循环。
图4 自由基捕获实验
图5 光酶催化芳基醚O-去甲基化机制
综上，作者开发了一种还原型的光酶催化体系用于芳基甲醚的O-去甲基化产甲烷，该体系对多种芳基甲基醚和甲氧基黄酮具有很高的O-去甲基化效率。该光酶系统进一步证明可以使单芳香化合物及其木质素低聚物去甲基化产生甲烷。这是第一个利用木质素单芳烃甲基产生燃料气体甲烷的酶系统，为利用自然界中丰富的生物质木质素的甲基基团提供了强有力的工具。
天津大学博士研究生魏志锋为论文的第一作者，天津大学董敏教授为论文的通讯作者。天津大学博士研究生余南海，徐涛也参与了部分工作，李炳志教授，刘志华教授指导了木质素相关工作。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acscatal.5c00964
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