摘要：多种催化方法的组合在有机合成中具有多重优势，可以以简单的方式获得多样化的有机分子。目前，金属催化和酶催化的结合正受到广泛关注，因为它可以将金属催化与C—C偶联、烯烃转化、水合等反应结合起来，并展现出生物酶的精细立体特异性。因此，本综述根据金属种类（Pd、Ru、Au、Ir、Fe等）与不同酶的作用相结合。特别关注顺序反应和并行级联反应的设计，提出了使用表面活性剂或区室化策略的解决方案，以解决不相容性可能影响整个过程的情况。
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引 言
酶催化现在被认为是合成化学家的强大工具，为高立体选择性得到各类化合物提供了技术基础[1]。固定化、分子生物学和生物信息学研究的进展为在不同介质中进行生物转化铺平了道路，提高了生物催化剂的稳定性和活性，发现了新的酶催化途径并对机理进行了合理的解释[2]。所有这些成就使得有效的单独反应成为可能，当将多个步骤组装在一个独特的反应容器中时，甚至可以发现更多的优势。在这种背景下，设计一锅法多酶转化简化了复杂的线性合成路径，避免了分离不稳定中间体以获得更高产率的最终产物。与此同时，多个酶的组合使得开发正交、并行和循环级联反应成为可能，以改变反应平衡或有利于得到所需化合物[3]。
酶的潜力因其与其他类型催化剂的结合而受到更多关注，最近在其与金属类催化剂[4]、有机分子催化剂[5]和/或光照条件下的结合作用方面取得了重要进展[6]。传统上，金属和酶的使用仅限于对外消旋醇和胺进行动态动力学拆分（dynamic kinetic resolutions, DKRs)。脂肪酶，如南极念珠菌脂肪酶B型（Candida antarctica lipase, CAL-B）和假单胞菌脂肪酶假单胞菌脂肪酶（Pseudomonas cepacia lipase, PSL），与Fe、Pd、Ru和V金属的相结合，可以合成理论上100%产率、手性纯的产品[7]。有趣的是，由于固定化水解酶的热稳定性，这些化学酶法工艺可以在金属活化和外消旋反应的恶劣条件下同时进行。也许正是从这一点出发，许多研究小组开始探索金属催化剂与酶催化剂的结合，出现了引人注目的立体选择性转化，本文将对这些转化进行回顾和重点介绍。
本综述根据金属催化反应进行分类，并致力于确定解决酶与金属种类之间相容性的关键要素。因此，选择顺序或并行工艺将是探索由于某些反应物的存在而导致一个或两个催化剂失活的可能的原因。还将介绍克服这些限制的方法，包括使用表面活性剂或区室化策略等。
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金属酶级联反应工艺
本文将揭示金属酶协同级联和顺序转化，首先关注Pd、Ru、Au、Ir和Fe金属在催化多种有机转化（C-C偶联、异构化、水合作用等）中的作用，然后考虑其他金属物种（Cu、Ni、Rh、Pt和Co），它们与酶的结合仍处于起步阶段。值得庆幸的是，在立体定向酶的作用下，整个化学酶法工艺可以合成手性纯的产品，这些酶包括醇氧化酶、醛醇酶、醇脱氢酶、胺脱氢酶、氨基酸脱氢酶、胺转氨酶、芳基丙二酸脱羧酶、烯还原酶、亚胺还原酶、腈氢化酶或苯丙氨酸氨裂解酶等。
2.1 Pd
Pd化学使大量转化反应技术得以发展，包括复杂天然产物和药物的合成[8]。虽然Pd金属传统上被用作DKR的消旋剂[7,9]，但也出现了其他Pd酶的应用，下文将对其进行综述。
2.1.1 Suzuki偶联反应
自从发现以来，交叉偶联反应是构建新的碳-碳或碳-杂原子键的最有用的方法。2010年诺贝尔化学奖授予给Heck、Negishi和Suzuki三位教授，证明了交叉偶联反应的重要性[10]。生物催化学界对其合成潜力也未曾忽视，因此将偶联反应与生物催化步骤相结合，以实现多催化不对称转化已经得到探索。通常情况下，这两个步骤之间存在不兼容性，例如由于辅因子、反应物或中间体的存在而导致的交叉抑制，或者对不同溶剂或温度的偏好，因此这些方案必须按顺序的方式来完成。
Suzuki反应是最受欢迎的交叉偶联反应，硼化物的低毒性使得可以构建包括大量药物在内的复杂分子[11]。Gröger和他的合作者在该领域进行了开创性的工作[12]，其中包括由醇脱氢酶（alcohol dehydrogenase, ADH）催化的顺序Suzuki偶联和不对称生物还原。因此，有机金属步骤是在水中使用Pd(PPh3)2Cl2和不同的硼酸在70℃下进行的。完成这一步骤后，室温下加入从红球菌（Rhodococcus sp.）中得到的ADH、2-丙醇和还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸辅因子（NADH），分别得到3种手性纯的联苯醇（67-91%的转化率，Scheme 1A）。同样，利用Ralstonia sp.ADH（RasADH），通过Pd催化的Suzuki偶联和生物还原的循序工艺，合成了手性药物中间体，如Odanacatib的前体（Scheme 1B）[13]。
Scheme 1. Suzuki-ADH循序工艺合成对映体富集的联芳醇的例子
深共晶溶剂（deep eutectic solvents, DES）[14]与水体系的混合使得以可持续的方式设计多种金属-酶的催化组合成为可能。例如，在氯化胆碱-甘油-缓冲液混合体系中，4'-卤代苯乙酮与芳基硼酸在70-100°C下发生Suzuki偶联，然后在30°C下进行酮中间体进行生物还原[15]。
Suzuki偶联反应也已经与烯醇还原酶（ene-reductases, EREDs）相结合，用于对C=C双键的立体选择性还原。江等人描述了2-碘环己酮和硼酸之间的反应，采用树状有机硅纳米粒子（DON@Pd）上的固定化Pd催化剂，随后使用来自Rhodococcus ruber的YqjM ERED进行不对称烯烃还原（Scheme 2）[16]。由此成功地获得了手性的α-芳基环状酮（40-81%的收率和91%到>99% ee)。值得注意的是，采用了一锅法额外开发了一个不对称还原步骤，使用来自红球菌的ADH-A合成了(1S,2R)-2-苯基环己烷-1-醇。
Scheme 2. 将Suzuki偶联和ERED相结合，以获得手性环状酮，包括后续的羰基还原以形成额外的手性中心
还有人利用一系列酶，如D-氨基酸脱氢酶（D-amino acid dehydrogenases, DAADH）、苯丙氨酸氨裂解酶（phenylalanine ammonia lyases, PAL）和胺转氨酶（amine transaminases , ATA），将Pd催化的Suzuki偶联反应与酶法结合起来合成手性胺。例如，Turner和合作者描述了使用谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）的一种工程化DAADH对4-溴苯基丙酮酸进行还原胺化反应，生成相应的D-氨基酸（Scheme 3A）[17]，再保护氨基后，在微波条件下与芳基硼酸和PdCl2(CH3CN)2 (10mol%)进行Suzuki交叉耦合。这些步骤是通过一锅连续反应来进行的，可以回收40-70％的手性纯的D-二芳基氨基酸。另外，通过使用经改良的变异链球菌（Anabaena variabilis）PAL（AvPAL-F107A）进行4-溴肉桂酸的不对称氢氨化反应，再经过分离和一锅式氨基保护和Suzuki偶联反应，以33-65％的收率得到L-二芳基氨基酸（Scheme 3A）。
Scheme 3. Pd催化的Suzuki偶联和酶催化手性氨基酸和胺合成的结合实例
Bornscheuer和他的合作者报道了一种Pd催化的Suzuki偶联和由Aspergillus fumigatus（4-CHI-I146A）进化而来的ATA催化的和酮生物胺化反应，来获得手性二芳基胺[18]。PdCl2被发现是第一步的理想催化剂，在选择金属亲和树脂用于ATA固定化的情况下，以连续流的方式合成了1-(5-苯基吡啶-3-基)乙胺（43%转化率）（Scheme 3B）。使用DES缓冲混合物开发Pd催化的偶联反应，以显著的200mM的底物浓度进行反应，并将反应混合物稀释至25mM进行生物胺化反应，从而合成了其他手性二芳基胺化合物，其中使用的是来自Exophiala xenobiotica的TA[19]。
2.1.2 Wacker-Tsuji氧化
Wacker-Tsuji氧化反应是利用Pd催化剂和常用的Cu协同氧化剂，在氧气存在下，由烯烃合成羰基化合物[20]。近年来，利用它与立体选择性生物转化相结合来展示苯乙烯和烯丙基（杂）芳烃在有机合成中的应用的广泛性[21-23]。毫无疑问，Gröger的研究组在该领域的发展中做出了重大贡献，2012年发表了一项开创性的工作，重点研究了Wacker-Tsuji氧化和生物还原相结合的循序反应，以获得手性的1-芳基乙醇[21]。
氧化步骤在MeOH/水（7/1体积比）中进行，使用PdCl2作为催化剂，苯醌作为共氧化剂，将苯乙烯转化为1-芳基乙酮。生物还原是通过向反应介质中依次添加Lactobacillus kefir ADH（LkADH）、NADPH和异丙醇来进行的。由于在氧化步骤中产生的Pd金属对酶的抑制作用，导致一锅法的转化率非常低。为了克服这个缺点，添加了催化量的硫脲。经过优化后，合成了三种1-芳基乙醇（产率50-68%，ee>93%，Scheme 4A）。该研究团队后来通过使用分隔策略进一步改进了这个方法，将在第3节中讨论。
Scheme 4. Wacker-Tsuji-酶法组合用于从烯烃合成手性醇和胺
Gotor-Fernández研究组通过使用立体互补的ATAs在主要水相介质中，扩展了Wacker-Tsuji氧化反应合成手性苯丙胺衍生物的潜力[22]。氧化反应在30-60°C下完成，使用三氟乙酸钯(II) [Pd(TFA)2]与硫酸铁和三氟乙酸钠（NaTFA）进行PdII的再生。随后，转氨酶、吡哆醛-5'-磷酸酯、异丙胺磷酸盐，以及含有异丙胺的磷酸盐缓冲溶液被加入反应体系中，调节pH值约为8，进行第二步反应。这种顺序合成的方法在没有任何分隔要求的情况下进行，使胺的收率达到70-92%和ee值99%（图4B）。类似地，他们还报道了一种金属-光-酶法，利用PdCl2(MeCN)2和9-二甲基脂肪基-10-甲基吖啶高氯酸盐（[Acr-Mes]ClO4）在蓝光照射下进行氧化反应[23]。该方法在中间阶段经过反应条件的改变，与ADHs和ATAs的使用条件相兼容，以中等到良好的产率和高选择性获得醇和胺（Scheme 4B）。
2.1.3 Buchwald–Hartwig偶联反应
Buchwald-Hartwig交叉偶联反应是在Pd催化剂d 存在下，氨和芳基溴化物之间的反应[24]。它首次与生物转化结合是通过使用嵌合胺脱氢酶（ChiAmDH）对不同的酮进行不对称还原胺化反应，然后将得到的手性胺与相应的芳基溴化物反应，使用[Pd(allyl)Cl]2、tBuXPhos作为配体，以及NaOH和脱气的表面活性剂TPGS-750-M的水溶液（Scheme 5A）[25]。如此，以49-83%的转化率得到(R)-N-取代胺，并且具有很高的对映选择性（>90% ee）。同时，Turner和他的同事展示了亚胺还原酶（IREDs）与Buchwald-Hartwig交叉偶联反应的兼容性，研究中使用了Takasago配体（cBRIDP, Scheme 5B），以49-76%的转化率得到了一系列对映体富集的吡咯烷。此外，还探索了将这种芳基化反应与生物催化的借氢的胺化反应相结合的可能性，使用了ADH-AmDH系统，将消旋的4-甲基-2-戊醇转化为(R)- 4-(4-甲基-2-戊基)氨基苯乙酮（Scheme 5C）。然而，由于竞争性亲核的胺供体（D-丙氨酸）的存在，无法开发ATA-Buchwald-Hartwig级联反应，因此需要逐步来实现。类似地，Paradisi和合作者报道了使用来自Thermomyces stellatus的(R)-立体选择性的TA对一系列醛和酮进行生物胺化[26]。然而，该过程需要逐步进行，需要在完成Buchwald-Hartwig反应之前通过离心去除蛋白质。
Scheme 5. Buchwald–Hartwig偶联反应与生物催化步骤的结合：A) AmDH（醇脱氢酶）；B) IRED（酮还原酶）；C) ADH-AmDH（醇脱氢酶）
2.2 Ru
Ru金属的复合物是多功能的催化剂，传统上常被用于动态动力学拆分中的消旋化[7,27]、（不对称）氢转移反应[28]和异构化反应[29]等。然而，这种过渡金属的最典型的催化作用在于烯烃的复分解反应，该反应已经成功应用于化学酶的级联反应中。
2.2.1 烯烃及闭环的复分解反应
烯烃的复分解反应已成为构建新的C-C键的强大工具[30]。尽管这种反应对于获得烯烃化合物非常有用，但与生物催化步骤的结合主要集中在非立体选择性的合成策略上[31]，例如闭环的复分解反应[32]。Hartwig、Zhao等人报道了这种反应与不对称生物转化相组合的实例[33]。文献报道了一种使用巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）中的细胞色素P450-BM3突变体进行Ru催化的烯烃复分解和不对称酶催化环氧化反应相结合的方法（Scheme 6）。使用N-杂环卡宾-RuII复合物催化完成(Z)-苯乙烯和(Z)-2-丁烯之间的烯烃交叉复分解反应，然后加入经改造的P450酶及其辅因子和葡萄糖脱氢酶作为辅因子再生酶。以这种并行的方法获得了41%转化率的反式环氧化物。
Scheme 6. Ru催化的(Z)-苯乙烯和(Z)-2-丁烯的烯烃交叉复分解反应及随后进行生物催化的环氧化反应
2.2.2 异构化和制备酰胺的水合反应
Ru复合物还能催化烯烃重排、烯醇-羰基异构化或Meyer-Schuster/Rupe重排反应[34]。这种能力在生物催化领域并未被忽视，González-Sabín等人报道了一种非常智慧的策略，从烯丙醇合成对映体富集的胺[35]。由于每个步骤所需的底物浓度不同（醇异构化需要200mM，而生物胺化反应只需要20 mM），因此设计了一种顺序策略（Scheme 7A）。该异构化反应在在水介质中，使用少量的Ru催化剂（1mol%），并加入过量的2-PrNH2作为生物胺化反应的胺供体。添加商业化的ATA、PLP和额外的缓冲液来进行转氨反应，成功地分离出所需的光学活性的胺。同一个研究组还发表了一种类似的策略，使用商业化的ADH代替ATA，采用并行级联方法合成手性醇[36]。起始物料烯丙醇的异构化和生物还原都在30°C下进行，得到不同收率的对映体纯的醇（Scheme 7B）。使用DES-缓冲液混合物也是可行的，尽管需要增加金属负载量（10mol%）并提高反应温度（40°C）以在短时间内完成异构化反应[37]。
Scheme 7. 钌催化烯烃异构化与酮的组合反应：A) 生物催化的转氨反应；B) 生物还原
Ru复合物对腈的水合反应表现出较高的催化活性[38]，并且它们与ADHs的兼容性被用于制备手性β-羟基酰胺[39]。在水介质中，采用RuII复合物，以2-PrOH作为共溶剂和羰基还原的氢供体，一系列的β-酮腈发生水合反应。一方面，通过Ru复合物和商业化的ADH的组合，在60°C下令人惊讶地完成了6个β-羟基酰胺的连续级联合成（74-99%收率，>99% ee）（Scheme 8A）。另一方面，通过β-酮腈的生物还原获得光学活性的β-羟基腈，随后加入RuII复合物催化腈的水合反应，开发了另一种顺序合成方法（Scheme 8B）。由此以优异的对映异构体选择性合成了β-羟基酰胺。当反应不完全转化或ADH对β-酮腈/β-酮酰胺的立体选择性不匹配时，这种顺序方法具有优势。
Scheme 8. 腈的水合和生物还原反应相结合用于合成手性β-羟基酰胺的方法：A）并行级联方法；B）顺序合成方法
2.3 Au
近几十年来，Au在其不同氧化态下的催化潜力已经广为人知，从而引发了一股“黄金热”。均相Au催化具有诸多优势，如高催化活性、不需要极端反应条件以及耐受不同官能团的高选择性，因此被视为非常有前景的有机合成方法[40]。
2.3.1 炔烃的水合反应
三键的水合反应是最简单的羟基官能团化反应，因为水分子作为亲核试剂产生羰基化合物，其原子经济效益达到100%[41]。Au配合物已被证明是最有效的催化剂，可以激活炔烃对水、醇和其他亲核试剂的攻击，这是由于它们具有高π酸性和低的氧亲和力[42]。考虑到这一点，与生物催化剂的结合也引起了人们的关注，在最近几年，这个领域正在不断扩展。Mihovilovic和他的同事在2018年报道了一种顺序合成工艺，由AuCl3催化的芳基乙炔的炔烃水合反应得到芳基乙酮，然后由ADHs催化立体选择性生物还原反应，合成了几种1-芳基乙醇[43]。首先，使用Au催化剂在2-PrOH溶剂和H2O中进行第一步反应。然后，加入pH值为8.0的缓冲溶液、相应的烟酰胺辅因子以及LkADH或ADH-A。由此，独立地得到了11个对映体纯的醇（Scheme 9A）。此外，García-Álvarez、González-Sabín及其合作者也报道了另一种Au-ADH级联反应[44]，使用KAuCl4作为催化剂和商业化的ADHs以获得光学活性的γ-羟基戊酸、γ-戊内酯或γ-羟基酰胺。首先，通过在醇介质或无溶剂条件下炔前体（如4-戊炔酸或N-对甲苯磺酰基-4-戊炔酰胺）发生水合反应。由于Au催化剂抑制了酶的活性，反应介质被DMSO稀释，并作为配体，加入适当的缓冲溶液，以获得所需的对映体纯的产物，并且转化率非常高（>96%）。
Scheme 9. Au催化的炔烃水合反应与不同的生物催化转化的结合
最近，Gotor-Fernández研究组通过在水介质中将NHC-AuI催化剂与ADHs相结合，设计了一个并行级联反应，以获得手性卤代醇，这是制药工业中宝贵的前体物质[45]。金属催化剂催化了一系列芳香卤代炔的区域选择性水合反应，生成α-卤甲基酮中间体，而在ADH-A或Lactobacillus brevis ADH（LBADH）和2-PrOH的存在下，在40°C下得到最终的对映体纯的卤代醇。仅添加2当量的氢供体即可实现定量转化（>99%），因为这些底物的还原在热力学上是有利的。这提高了该过程的合成方法的适用性，避免了2-PrOH添加到炔基团上而产生副产物。此外，该方法最近还扩展到脂肪族底物（Scheme 9B）[46]。
Rueping和他的合作者报道了一种获取手性胺的顺序过程（Scheme 9C）[47]。使用低含量的AuCl对不同芳香炔烃进行水合反应，并与生物转氨反应相结合。第一步，在60°C下，DMSO（98%v/v）溶剂中，加入缓冲液pH7.5、PLP、2-PrNH2和相应的商业化的ATA，以获得所需的1-芳基乙胺，转化率为2-99%，但选择性非常高（>94% ee）。
最近，Guérard-Hélaine和他的同事报道了一种顺序方法，将少量的NHC-AuI催化剂与醛酸酶结合，用于合成不同的单糖[48]。由此，在60°C下，2-丙炔-1-醇进行水合反应，随后在30°C下，由果糖-6-磷酸醛酮酸酶（FSA）催化，与不同的脂肪族醛进行醛缩合反应（Scheme 9D）。
2.3.2 （环）异构化
Meyer-Schuster重排反应是丙炔醇可以发生的最典型的转化之一，可以生成α,β-不饱和羰基化合物[49]。Au配合物可以在温和条件下催化该反应，并且与ADHs和ATAs的反应相兼容。在此背景下，Gotor-Fernández研究组成功地开发了一种并行级联方法，以良好的产率（37-86%）合成了15个光学活性的（杂）芳基和脂肪基(E)-β,β-二取代烯丙醇[50]。该方法包括在40°C下，将外消旋的丙炔醇与NHC-AuI配合物和ADH-A或LBADH，在以水为主要介质，并以2-PrOH为有机共溶剂和氢供体的转化策略（Scheme 10A）。该方法已经扩展到通过将类似的AuI催化的重排反应与商业化的ATA催化的转氨反应相结合，以合成β,β-二取代烯丙胺。尝试了使用亲核性较低的丙氨酸作为胺供体的并行级联方案，但通过在金属催化步骤后添加2-PrNH2的顺序方法的效果更好，以中等到较高收率（53-84%）合成了8种烯丙胺的两个对映异构体[51]。
Scheme 10. Au催化（环）异构化与不同生物催化转化的结合
2009年，Asikainen和Krause将脂肪酶催化的酯水解动力学拆分与随后的Au催化的环异构化同时结合，得到了不同的手性2,5-二氢呋喃[52]。首先是由固定化的PSL在磷酸盐缓冲水溶液中选择性生成累计二烯醇，随后用AuIII催化剂激活累计二烯醇，促进环闭合，得到中等产率（28-50%）和高立体选择性的（88-98% ee，Scheme 10B）的含氧环状化合物。
2.4 Ir
在过去的几十年里，Ir配合物在光化学中的应用取得了巨大的发展[53]，因为它们可以在激发条件下催化氧化或还原反应。因此，有报道描述了在白色LED的照射下，以硫醇作为氢原子转移试剂，用IrIII催化剂对不同的脂肪族伯胺进行外消旋化[54]。为了实现这一点，第一步在MeCN中使用Ir(ppy)2(dtbbpy)PF6和正辛烷硫醇，第二步使用CAL-B和3-甲氧基丙酸甲酯作为酰基供体，以58-97%的分离产率和73-99%的ee值得到19个(R)-酰胺。
另有报道，在蓝光照射下将阳离子IrIII配合物和来自Old Yellow Enzyme（OYE）家族的ERED成功结合用于烯烃光异构化和生物还原的级联反应[55]。在一系列2-芳基丁-2烯二酸二甲酯的(Z)-和(E)-构型之间的光诱导异构化反应之后，最后的异构体被氧化还原酶还原（Scheme 11A）。为了开发该级联方法，在[Ir(dmppy)2(dtbbpy)]PF6或黄素单酰肽（FMN）作为光催化剂的存在下，将烯烃底物与ERED反应。以GDH为辅因子循环体系，DMSO为共溶剂（10%v/v），在蓝光照射下，得到了具有吸电子基团的还原产物，其转化率为60-96%，光学纯度较高。两种催化剂以协同的方式加速异构化，因为当在8小时后再加入ERED时，反应的速率很差。
最近，有研究小组已经证明了不同生物催化剂在光照条件下的相容性，扩展了新型光生物催化系统的发展[56]。在这个例子中，他们开发了β-取代酮的DKR过程，以获得手性γ-取代胺和醇。虽然DKRs依赖于可诱导的动态立体中心，但在这个例子中，外消旋化是在静态下进行的。为了实现这一目的，将一种Ir催化剂、两种有机催化剂和一种酶（如ADH或ATA）进行了组合。因此，在β位取代的相应的环酮中，使用吡咯啉衍生的催化剂和硫醇催化剂，即[Ir(df(CF3)ppy)2(dtbbpy)](PF6)和LkADH裂解液，在含有辅因子和2-丙醇的磷酸盐缓冲液中，在室温和蓝色LED光照射下进行孵育，以较高的收率（68-92%）和较高的对映异构体和非对映异构体的比例得到目标γ-取代醇（Scheme 11B）。该方法还可应用于采用商业化的ATAs和2-PrNH2作为胺供体来制备手性胺（75-86%）。
Ir配合物也在化学酶循环去消旋化过程中被用作有价值的氧化还原剂，因此，研究者将这个系统应用于β-氯丙醇，将iridacycle配合物和ADH-A的作用结合了起来（Scheme 11C）[57]。由此，以α-氯酮为共氧化剂，金属催化剂可将外消旋底物氧化成相应的α-氯酮，然后在温和条件下选择性还原，得到(R)异构体富集的醇。遗憾的是，由于两种催化循环之间存在交叉反应，产物的ee值通常较低。不过，该结果证明了Ir化学和酶化学可以相结合。后来，Turner及合作者报道了通过使用醇氧化酶进行选择性酶促氧化，并使用Ir催化剂进行非选择性金属转移氢化过程，对1-芳基乙醇进行去消旋化（Scheme 11D）[58]。相应的酮与rac-Ir-N-(p-toluenesulfonyl)1,2-diaminocyclohexane（TsCYDN）和作为还原供氢体的HCOONa进行还原反应，在37°C下反应1.5小时后，得到94%收率的外消旋醇。然后，加入了(R)-选择性的半乳糖氧化酶GOase M3-5的变种、辣根过氧化物酶（HRP）和一种过氧化氢酶，以实现手性选择性氧化，通常在24-48小时后，可得到高收率（25-99%）和高对映选择性（89-99%）的(S)-芳香醇。
Scheme 11. Ir（光）催化转化与不同生物催化反应的组合
2.5 Fe
与其他金属相比，铁盐及其配合物可以被认为是无毒和廉价的催化剂[59]，因此在过去的几年里，人们对研究它们的合成及应用产生了极大的兴趣[60]。例如，研究者们已经对其进行了研究，如Rueping研究组[61]、Bäckvall研究组[62]和Zhou研究组[63]在开发酶催化的芳香族和脂肪族仲醇的DKRs反应时，使用了一些对空气和湿气稳定的催化剂。
由于Fe催化环丙烷化反应的能力，Wallace和Balskus报道了使用修饰的大肠杆菌细胞，其将D-葡萄糖代谢成苯乙烯，然后在生物相容的FeIII酞菁催化剂的存在下进行环丙烷化反应（FePcCl, Scheme 12A）。在单个反应优化之后，在FePcCl的存在下，以重氮基乙酸乙酯对苯乙烯进行环丙烷化，60小时后以93%的分离收率得到2-苯基环丙烷1-羧酸乙酯（(cis:trans=3.5:1）。
最近，有研究组通过铁催化芳基乙炔的氧磺酰化反应（oxosulfonylation）合成了手性β-羟基砜。该过程采用顺序合成方法，首先对一系列芳基乙炔进行氧磺酰化，然后通过生物还原β-酮砜中间体来合成目标产物（Scheme 12B）[65]。经过反应优化后，选择FeCl3·6H2O为催化剂。相应的炔烃与亚磺酸钠盐在2-PrOH和水（1:1 V/V）的混合物中于80℃反应24小时。然后，将商业来源的或RasADH中获取的ADH、辅因子和缓冲液加入到反应体系中，在30°C下反应24小时，从而实现中间体的立体选择性还原，得到所需的对映体富集醇（83-94%转换率）。由于酮中间体的不稳定性，特别是在考虑其纯化时，这种化学酶促方法是非常可取的。
Scheme 12. 铁催化转化与不同生物催化反应的组合
2.6 其它金属
虽然Cu、Ni、Rh、Pt和Co等金属盐在氧化还原反应中有多种应用，但它们在金属酶级联反应中的应用较少，例如，Cu盐在Wacker-Tsuji氧化反应中非常有用（作为助氧化剂，按化学计量）[21]，炔烃和叠氮化物的环加成反应（催化量）[66]，或Sonogashira耦合反应[67]。然而，在某些情况下，这些物质可以抑制酶的活性[68]。尽管如此，它们还是在化学级联反应中得到了应用。
Kourist等使用来自支气管败血波氏杆菌的芳基丙二酸脱羧酶的立体互补变体，开发了前手性脂肪族芳基丙二酸衍生物的不对称脱羧，然后使用CuCl2作为催化剂（10mol%）和二酰亚胺作为还原剂进行烯烃还原[69]。使用这种氢供体对于避免α取代羧酸中间体的光学纯度损失至关重要。例如，(R)-2-甲基丁酸的分离ee值为98%，收率为83%。
在最近的一项研究中，Micklefield等将腈水合酶的反应与铜盐结合起来，以腈化合物合成了N-芳基酰胺（Scheme 13A）[70]。来自马红球菌（Rhodococcus equi）的腈水合酶的不同变体在芳香族、脂肪族和外消旋腈化合物上进行了测试，在室温下反应24-48小时后，在加有2-PrOH（10%Vol）或表面活性剂（TPGS-750-M，2%wt）的磷酸盐缓冲液中得到了具有高转化率和立体选择性的相应酰胺。然后，加入CuBr2、trans-N,N-二甲基环己烷-1,2-二胺作为配体、D-葡萄糖作为还原剂、NaOtBu作为碱，在50°C下反应24小时，碘代芳香族化合物经Ullmann型芳基化反应，可得到中等至高收率的酰胺，包括外消旋腈在内的50多个实例，通过动力学拆分得到了对映体富集的N-芳基酰胺（分离收率20-78%）。
除了Pd之外，Ni催化剂也能够催化Suzuki-Miyaura偶联[71]。Garg等开发了一种一锅顺序化学酶法，以酰胺为其实物料，合成对映体富集的醇[72]。该过程的关键是在水介质中的Ni催化Suzuki-Miyaura反应，这是不常见的，然后将其与生物还原过程结合起来。在60°C下，通过Ni(COD)2在水中以1,3-双(2,6-二异丙基苯基)-4,5-二氢咪唑-2-亚甲基二烯（SIPr）作为配体和K3PO4作为碱的存在下，成功地实现了芳香酰胺与芳基硼酸酯的偶联反应，反应时间为24小时。在淬灭反应后，使用商业酮还原酶（KRED）在辅因子和2-PrOH的存在下，对二芳基酮中间体进行还原。此外，加入水以稀释反应物，并通过降低压力（从而去除丙酮副产物）来改变平衡。在35°C下反应48小时后，以中等到高收率（42-87%）和选择性（66-99% ee，Scheme 13B）合成了十一种醇。
最近在化学酶转化中使用的其他金属是Rh[73]， Pt[74]，和Co[75]。然而，这些反应是以叠缩或非立体选择性的方式进行的，超出了本综述的范围，尽管预计在不久的将来会有使用这些金属的不对称级联的研究见诸报导。
Scheme 13. Cu和Ni物质在化学酶级联中的用途：A）合并腈水合酶和Cu催化的Ullmann型芳基化反应以合成手性N-芳基酰胺；B）合并Ni催化的Suzuki-Miyaura偶联和ADH以获得对映体富集的二芳基醇
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提高金属与酶相容性的策略
正如之前所指出的，至少两种不同类型的催化剂的组合需要对反应条件进行仔细研究，以找到适合（或至少是可接受的）的催化剂，能够在整个过程中参与每个反应步骤。最简单的方法是采用“叠缩式”方法，即将一个阶段得到的反应产物作为下一个阶段的起始物料。然而，如果可能的话，最好避免使用这种耗时和耗能的方法。因此，化学家们设想了不同的解决方案，如果由于催化剂、辅助试剂或反应条件的不兼容性而无法同时进行化学酶转化。在某些情况下，采用类似于在生物细胞中存在的分隔系统，通过将不相容的反应分隔在不同的区域中，极大地提高了级联工艺的结果。
由于酶催化反应通常发生在水相中，而金属催化反应通常在有机介质中进行，乍一看，可以考虑使用双相系统并添加不互溶的溶剂作为解决方案。事实上，它已成功地应用于例如Pd介导的Buchwald-Hartwig胺化反应，由ATA催化的生物转胺反应[26]，或是使用卤素过氧化物酶结合Pd催化的Suzuki型交叉偶联的酶促卤代环化反应得到手性胺[78]。然而，在反应介质中不能完全避免不同物料之间的相互作用，并且在分离最终产品时可能存在问题[77]。
另一种物理分离不同组分的方法是使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）套管，如Gröger等所述，将Wacker-Tsuji氧化和酶促步骤结合起来。为了克服由于使用铜盐作为助氧化剂而导致的酶促抑制，他们开发了两个反应的区室。首先在套管内实现Wacker-Tsuji氧化，然后，将LkADH、辅因子和缓冲液添加到套管外部。最后，以良好的转化率得到手性醇（Scheme 14）[68]。当Wacker-Tsuji氧化与其他酶（如ATAs[79]和AmDHs[80]）组合时，或者当Pd催化的Liebeskind-Srogl交叉偶联反应与ADHs联合应用时，这种策略也已成功应用[81]。
Scheme 14. 使用PDMS套管进行区室化的化学酶Pd-ADH级联
此外，洗涤剂或表面活性剂的使用已成功地应用于在水中形成胶束，提供了在水性环境中进行可能的有机转化的介质（Scheme 15A）。在该领域中，Lipshutz的小组特别活跃，他们描述了在表面活性剂存在下的不同金属酶促工艺。例如，Pd（Heck和Sonogashira反应）或Au（炔烃的水合反应）介导的反应与ADH催化的生物还原反应相组合[82]。DL-α-生育酚甲氧基聚乙二醇琥珀酸酯（TPGS-750-M，2%wt，Scheme 15B）[83]用作表面活性剂，以在水性介质中进行金属交叉偶联或水合反应。由此合成了几种对映异构体纯的手性醇。该策略[25,70]也已成功地应用于一锅法顺序的Suzuki-Miyaura交叉偶联反应和烯烃的生物还原[84]。
Scheme 15. A）使用表面活性剂进行区室化的化学酶级联的实例; B）TPGS-750-M的结构
另一种区室化反应系统的方法是通过封装一些试剂或催化剂以提供有利于开发级联转化反应的不同环境。例如，在DKR中，通常封装一种催化剂以避免不希望的干扰，如Li等描述的例子中所述，他们将Pd纳米颗粒包封在金属有机框架中以用CAL-B进行外消旋胺的DKR[85]。关于化学酶催化线性级联反应，Toste等人报道了一系列丙二烯酯的拆分以获得对映体富集的四氢呋喃的转换过程。他们使用PSL进行底物酯基的水解，提供被包封在四面体镓簇中的Me3PAu+活化的联烯醇，以中等转化率和高选择性得到了目标化合物[86]。该反应在水介质中以并行方式进行，因为封装防止了酶对Au催化剂的失活。该反应在水性介质中以并行方式进行，因为包封防止了酶对Au催化剂的失活。
最近，Liu等报道了将NHC-AuI催化剂（IPrAuOTf）封装在介孔二氧化硅纳米颗粒中，以实现几种炔丙基醚的水合反应。这些炔丙基醚通过来自嗜热土芽孢杆菌（Geobacillus kaustophilus）的胺脱氢酶（GkAmDH）的作用进行还原胺化，在甲酸铵作为胺和氢供体源的情况下，用甲酸脱氢酶（FDH）再循环烟酰胺辅因子，衍生化后，得到了非常高的分离收率（78-98%）和光学纯度（>95%ee, Scheme 16）的相应的(R)-酰胺。
Scheme 16. 封装Au催化剂以实现与AmDH的化学酶级联以合成手性胺
在过去的几十年里，由于两种催化之间固有的不相容性，金属-酶级联的区室化策略的发展极大地增加了研究者的兴趣。这对于需要高负载亲核胺供体的Pd化学或胺化酶尤其明显。虽然使用更直接的方法，如双相系统或添加表面活性剂在某些情况下产生了极好的结果，但不能忽视的是，交叉抑制可能仍然存在，并且下游的工艺过程可能存在问题。其它方法，例如使用套管或封装，将在物理上更好地分离不匹配的组分，然而，这些系统的设置更复杂，并且可能与所需的溶剂介质不相容。在任何情况下，这些策略在更大规模上的具体应用仍然有待论证。
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总结与展望
金属和酶的协同作用由于可以进行直接的立体选择性线性级联反应来实现原料的价值提高而受到越来越多的关注。为了实现这一目标，本文总结了这一领域的显着成就，表明两种催化可以有效地结合起来。使用并发级联工艺仍然是建立这些转化的最简单方法，而当发现催化剂不相容性时，或者需要不同的方案以获得两种催化剂类型的最佳性能时，建议采用顺序工艺过程。此外，表面活性剂的使用和区室化策略的设计提供了可用于解决催化剂不相容性的其他优点。在这种情况下，生物纳米杂交体的使用开始在化学酶方案中发挥代表性作用[88]，特别是对于DKRs，尽管最近已经考虑了其他级联策略[89]。
一方面，Pd、Ru、Ir和Fe已经从传统的外消旋作用扩展到催化显著的C-C键形成、异构化和氧化过程等。然而，近年来，Au配合物与不同类型的酶组合获得了很大的相关性，因为它容易与ADH、醛缩酶、AmDH、ATAs和脂肪酶结合，用于合成手性胺、醇和羟基酮。另一方面，Cu、Ni、Rh、Pt和Co的多功能性在化学酶级联中开辟了新的可能性。考虑到这些事非贵金属，这更具有特别有吸引力的[90]，其中Ni催化将在未来几年中发挥重要作用。
总的来说，在过去的几十年里，金属催化和酶催化相结合，用于有机合成的可能性已经得到了证明。下一步应该努力开发可扩展的和稳定可靠的工艺，为不对称合成的工业应用提供解决方案[91]。
参考文献
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