生物催化與化學催化結合對可持續合成重要構建塊具有巨大潛力，但酶對水性環境的嚴格要求及在苛刻條件下的穩定性不足，限制了高效級聯反應的開發。傳統金屬催化常需有毒溶劑和苛刻條件，會導致酶在有機溶劑中溶解度和活性降低。利用膠束制作的PCRM (Prefabricated Catalyst-Reactant Mixtures) 是一種用于整合酶促鹵化與金屬催化偶聯反應的關鍵策略, 可在水中實現有機與酶促反應的串聯，隔離酶與化學催化劑，為解決兩者兼容性問題提供可能。基于此，研究團隊開發H³CP平臺，整合酶促與金屬兩種催化優勢，實現區域選擇性 C-H 官能化。

平臺核心組成：（圖1）

酶促鹵化：利用黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）依賴的鹵化酶（FDHs）和釩依賴的鹵過氧化物酶（VHPOs），對底物進行區域選擇性鹵化，為后續交叉偶聯反應引入溴原子。

赫克偶聯：在膠束PCRM于水中形成的原位反應容器中，進行水相鈀催化的赫克偶聯反應，實現碳-碳鍵的形成。

酶促水解：使用豬肝酯酶（PLE）催化酯的皂化反應，得到目標丙烯酸產物。

（圖1，來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

研究人員首先研究了區域選擇性酶促鹵化反應。他們利用黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）依賴性鹵化酶（FDHs）和釩依賴性鹵過氧化物酶（VHPOs）對多種底物進行選擇性官能化。篩選三種 FDHs（RebH、PrnA 和 PyrH），發現它們對 23 種不同底物表現出不同偏好。例如，PyrH 在 1a、2a、4a-6a 和 14a 上表現最佳，PrnA 適用于 7a 和 12a，RebH 則在 8a-11a 和 13a 上效果良好。引入 AmVHPO 拓展底物范圍至 15a-23a，實現對茴香醚、取代苯酚、苯胺和雜環化合物的選擇性鹵化。（圖2）

（圖2，來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

隨后，研究者將酶促鹵化與Heck偶聯直接在同一容器中結合。其采用的PCRM (Prefabricated Catalyst-Reactant Mixtures) 策略，作為預組裝的反應體系，能夠在水性介質中形成動態的疏水反應微環境，將金屬催化的赫克偶聯反應限制在膠束內核進行，同時兼容酶促反應的水性外環境，避免酶與化學催化劑的直接接觸和失活，且簡化了反應操作。即使存在酶促鹵化步驟的殘留（如緩沖液、輔因子、酶等），反應產率也無顯著下降。從而驗證了酶促鹵化和 Heck 偶聯反應可以在同一反應體系中直接進行。（圖3&4） 

（圖3，來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

（圖4，來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

作者隨后將鹵化 - Heck偶聯 - 水解三步反應整合，對多種底物進行轉化。其水解步驟可直接利用前序反應液，無需去除 PCRM成分，實驗表明這些成分對水解酶的活性無顯著抑制。（圖5） 

（圖5，來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

基于此，作者對H³CP進行放大應用。初始測試表明，放大反應中產率大幅降低是由于，大規模反應中酶易受溫度波動、底物濃度不均等因素影響而導致酶活性下降或酶的穩定性不足，從而進一步導致鹵化步驟效率下降。且所用的鹵化酶FDHs和AmVHPO需通過重組E. coli表達并純化，非商業可得，大規模反應中若直接使用游離酶，會因酶的大量消耗導致成本劇增。

因此，研究者針對兩種不同類型的鹵化酶（FDHs與VHPO），分別采用了交聯酶聚集體（CLEAs）和分子量截留（MWCO）膜封裝酶兩種策略。

使用CLEAs策略得到的酶催化劑CLEA-FDHs，增強了結構穩定性，重復使用后活性仍超90%。適配的輔因子再生系統有效降低了對NADH的消耗。

MWCO膜封裝酶Encapsulated-AmVHPO，可以允許底物/產物透過膜，有效避免酶與金屬催化劑直接接觸，防止生物催化劑的失活且易于更換。通過緩沖液洗滌再生酶活性，保留100%催化能力。適用于VHPO催化的鹵化反應類型。

兩種策略均提升酶穩定性與循環使用能力，突破傳統酶促反應放大時因酶易失活導致的產率衰減問題，成功將反應放大至1 mmol規模。（圖6）

（圖6，來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

方法創新：H³CP 平臺有效解決了酶促與化學催化的反應不相容性問題，為開發多功能、可持續的chemo-enzymatic級聯反應提供了新思路。

綠色合成價值：在溫和水性條件下操作，減少有機溶劑使用，符合綠色化學理念，為復雜分子的經濟、環保合成提供有力工具。

未來應用前景：該平臺在藥物合成、農用化學品和先進材料制備等領域具有廣闊應用潛力，有望推動可持續生物與化學合成的進一步創新。

慕尼黑工業大學Ran Zhu為論文的第一作者，亥姆霍茲藥物研究所與德累斯頓工業大學Tobias Gulder為通訊作者。Tobias A. M. Gulder教授于2014年加入慕尼黑工業大學并擔任生物系統化學教授（W2），2019年成為德累斯頓工業大學技術生物化學主席（W3），并擔任《天然產物報告》（Natural Product Reports）的主編。隨后于2023年擔任亥姆霍茲制藥研究所（HIPS）的部門負責人。Tobias Gulder課題組在HIPS中致力于為有前景的天然產物開發創新合成策略。

課題組主頁：https://www.helmholtz-hips.de/de/forschung/people/person/prof-dr-tobias-gulder/

文獻詳情：

Regioselective C-H Functionalization by the Combination of Enzymatic and Chemocatalytic Reactions in Water.

Ran Zhu, Xuhua Mo, Tanja Gulder, Tobias Alexander Marius Gulder*. 

Angew. Chem. Int. Ed. 2025

https://doi.org/10.1002/anie.202504378

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