余金权团队Nat. Catal.：利用酶和寡肽为配体实现相同C

余金权团队Nat. Catal.：利用酶和寡肽为配体实现相同C–H键单选择性活化

X-MOL资讯

2025-09-17

导读：美国斯克利普斯研究所的余金权教授和南京工业大学的胡燚教授等研究者利用商业酶作为钯催化剂的配体，以高反应性和优异的单选择性（高达99%）成功实现了芳烃的邻位和间位C–H键活化。

C–H键活化是有机合成中极具吸引力的策略，能够直接对惰性C–H键进行官能团化，从而简化合成路径、提高原子经济性。然而，当一个分子中存在多个相同或相似的C–H键时（如：芳烃的对称邻位或间位C–H键），如何实现单一位点选择性（mono-selectivity）的C–H键活化仍颇具挑战（图1a），这是因为传统的配体往往难以避免双官能团化副产物的生成，进而限制了其在实际合成中的应用。除了少数依赖于底物空间或电性的单选择性C–H键官能团化，C–H键活化串联环化是阻止双官能团化的最可靠策略。另一方面，自2008年余金权团队开发出双功能单氮保护的氨基酸（MPAA）配体来促进钯催化的C–H键活化以来（Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 4882–4886），MPAA已经实现了一系列天然底物的高活性、高对映选择性C–H键活化反应。遗憾的是，MPAA配体在提高单选择性方面效果不佳，若能将MPAA嵌入寡肽甚至蛋白质中，则有可能增强钯中心周围的空间位阻，从而在多个相同C–H键的存在下提高单选择性（图1b）。

近日，美国斯克利普斯研究所（The scripps research institute）的余金权教授和南京工业大学的胡燚教授等研究者利用商业酶（如：Novozyme 435）作为钯催化剂的配体（图1c），以高反应性和优异的单选择性（高达99%）成功实现了芳烃的邻位和间位C–H键活化。机理研究表明钯-酶复合物为活性催化物种，同时酶的一级结构、序列长度和具有疏水侧链的氨基酸百分比对于实现单选择性至关重要。值得一提的是，作者还进一步开发了一种能够实现类似单选择性的含甘氨酸寡肽，从而为C–H键活化的单选择性转化提供了通用且高效的策略。相关成果发表在Nature Catalysis 上。南京工业大学徐华金副教授和上海交通大学樊洲龙副教授为论文共同第一作者。

图1. C–H键活化反应中配体控制的选择性。图片来源：Nat. Catal.

首先，作者选择氢化肉桂酸为模板底物探索了模板导向Pd催化的间位C–H键烯基化反应条件（图2a），结果显示在先前报道的条件下（即AgOAc为氧化剂、Ac-Gly-OH为配体）进行反应时（Nature, 2012, 486, 518–522），底物1a的单选择性为47%；而用高效且可持续的氧化剂ⁿBu₄NIO₄时可以74%的单选择性生成间位烯基化产物2a，NMR产率仅为55%。为此，作者尝试利用多种酶作为MPAA型配体的大体积替代物来诱导单选择性，发现固定在疏水载体（丙烯酸树脂）上的南极假丝酵母脂肪酶B（CALB）（即商业酶Novozyme 435）能以89%的NMR产率生成产物 2a，同时单选择性高达98%。另外，对照实验表明仅使用固定化聚合物（丙烯酸树脂）或无Novozyme 435进行反应时会导致较差的单选择性，而使用CALB则能实现同样优异的单选择性（97%）。在最优条件下，苯环上未取代、邻/对位不同基团取代的氢化肉桂酸以及联芳基底物（2a-2l）甚至各种烯烃偶联试剂（2m-2t）均能兼容该反应，并以中等至较好的产率（51-88%）和优异的单选择性（94-99%）获得相应的间位烯基化产物，而在Ac-Gly-OH配体条件下则产生单烯基化和双烯基化产物的混合物且产率较低。此外，在报道的苯乙酸间位C–H键烯基化条件下，用酶代替Ac-Gly-OH后也能以中等产率和高单选择性获得间位烯基化产物（2u-2x，图2b）。对于带有模板 T2的苯甲酸底物，使用Ac-Gly-OH作为配体时产生了高比例的双间位烯基化产物，而使用Novozyme 435作为配体时产物（2y-2ab）的单选择性达到91-96%（图2c）。

图2. 酶促进的单选择性间位烯基化反应。图片来源：Nat. Catal.

接下来，作者探索了Pd(II)催化Weinreb酰胺导向的苯甲酸邻位C–H键烯基化反应（图3a），结果显示在Ac-Gly-OH配体的存在下得到了大量的二烯基化产物；而使用Novozyme 435代替Ac-Gly-OH时则显著提高了单选择性（4a-4d）。对于苯乙酸底物，作者通过筛选确定了固定化米黑根毛霉脂肪酶E7（Lipozyme RMIM），能以高产率（70-82%）、高单选择性（92-96%）生成单烯基化产物（4e-4h）。同样地，氢化肉桂酸底物（4i-4l）也能顺利实现邻位C–H键烯基化反应且单选择性高达98%。如图3b所示，作者还将该策略扩展到酯基导向的邻位C–H键烯基化反应，即使用皱褶假丝酵母脂肪酶（E9）作为配体时可以99%的单选择性生成产物6a，而先前研究的MPAA促进游离羧酸的邻位C–H键烯基化反应则生成单、双烯基化产物的混合物。值得一提的是，Lipozyme RMIM和Novozyme 435均能以较高的单选择性生成所需的邻位烯基化产物（6b-6e）。

图3. 酶促进的单选择性邻位烯基化反应。图片来源：Nat. Catal.

为了更好地理解酶控制的单选择性，作者制备了Pd-CALB复合物（由Pd(OAc)₂与游离CALB配位合成）来研究Pd在酶CALB上的结合位置，但是Pd-CALB的高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）图像显示形成了大聚集体，这阻碍了对结合模式的进一步分析。为此，作者将CALB分子与Pluronic F-127偶联以获得CALB-P交联体，随后使用不同重量比的Pd(OAc)₂和CALB-P合成了三种Pd/CALB-P纳米复合物。如图4a所示，催化活性测试表明Pd：CALB-P（2：1）纳米复合物表现出优异的性能，其能以76％的产率和98％的单选择性获得间位烯基化产物2a。另外，Pd：CALB-P（2：1）纳米复合物的HR-TEM图像和相应的元素分布证实了Pd-/CALB-P纳米粒子的成功制备且没有形成聚集体；同时观察到Pd纳米粒子被CALB-P交联体包裹，这表明Pd催化剂广泛结合在CALB蛋白的表面上（图4b）。其次，作者还利用X-射线光电子能谱（XPS）对Pd：CALB-P（2:1）纳米复合物进行了表征（图4c），发现高分辨率Pd 3d XPS光谱在337.8 eV（Pd 3d_5/2）和343.1 eV（Pd 3d_3/2）处显示出两个主峰（图4d），这说明在纳米复合物中主要检测到Pd²⁺物种；而在高分辨率O 1s XPS谱图中，530.8 eV处的峰归因于O-Pd键，同时未检测到与N-Pd键相关的共价峰（图4e）。为了排除O-Pd键源自Pd(OAc)₂的可能性，作者测定了Pd(OAc)₂中O-Pd键的结合能，结果显示其峰值位于532.0 eV，这些结果表明Pd²⁺物种与CALB-P的O原子共价结合，从而形成活性Pd-酶物种；同时空间位阻的蛋白质配体CALB阻碍了第二次C–H键官能团化，从而提高了单选择性。

图4. Pd/CALB-P纳米复合物的催化活性及表征。图片来源：Nat. Catal.

为了进一步研究酶结构对单选择性的影响，作者选择变性的Novozyme 435作为配体，其能以78%的产率、96%的单选择性获得产物2a，该结果表明酶配体的一级结构可能是其单选择性的原因，那么能否通过类似于不对称催化的方式合理设计用于单选择性C–H键活化的寡肽配体。因此，作者利用寡肽和各种酶进行了结构-选择性关系研究（图5a），发现只要氨基酸与Pd的比例保持为1，九种不同类型的酶E1–E9都能提供较高的单选择性（92-98%）；但是两种寡肽O1和O2却表现出较低的单选择性（82％和86％，图5b），这说明可能需要最小序列长度才能实现高单选择性。其次，酶中氨基酸残基的结构也起着至关重要的作用，作者分析了20种天然氨基酸在所有酶E1-E9中的分布百分比，发现选择性最高的酶E1和E6具有更高百分比的带有疏水侧链的氨基酸（Gly、Ala和Val）；而选择性最低的酶E3、E4和E8则具有较低百分比的这些氨基酸（图5c）。综上，这些结果表明氨基酸与 Pd的比例接近或超过1、序列长度越长以及具有疏水侧链的氨基酸残基比例越高，单选择性就越好。

图5. 单选择性酶的结构分析。图片来源：Nat. Catal.

最后，作者设计了一系列含甘氨酸、序列长度各异的寡肽（O3-O12）以实现单选择性间位C–H键活化反应，其中八肽O10能以82%的产率和97%的单选择性生成所需产物，这与Novozyme 435获得的结果相似。此外，作者还研究了引入疏水性氨基酸（包括五丙氨酸和五缬氨酸）的寡肽（O13和O14），其单选择性与五甘氨酸相当。如图6a所示，作者检测了一系列市售寡肽O15-O21，发现单选择性会随着肽中甘氨酸、丙氨酸或缬氨酸比例的增加而提高，这可能是由于这些单元是先前发现的可行的双功能MPAA配体。为了进一步验证寡肽抑制双C–H键官能团化的能力，作者以单烯基化产物2a_mono为底物，将其置于条件A下进行反应，结果显示使用八肽O10作为配体时双烯基化产物2a_di的产率较低（图6b）；而选择性较低的配体O4却产生了大量的双C–H键官能团化产物，进而证实了由八个甘氨酸残基组成的寡肽O10是获得优异单选择性的最佳配体。

图6. 寡肽促进的单选择性间位C–H烯基化反应。图片来源：Nat. Catal.

总结

余金权教授和胡燚教授等研究者使用商业酶作为钯催化剂的配体，在芳烃的邻位和间位C–H键活化中提高了反应活性并实现了极高的单选择性（高达99%）。钯-酶复合物被鉴定为活性催化物种，同时研究表明酶的一级结构、序列长度和具有疏水侧链的氨基酸百分比对于实现单选择性至关重要。基于这些发现，作者进一步开发了一种能够实现同样高单选择性的含甘氨酸寡肽，这为后续开发对映选择性C–H键活化反应奠定了基础。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：