【生化】Science:改造血红蛋白可用于催化高应变碳环化合物

在环状有机分子中，环应变由键角键长比例、非键合取代基的空间位阻效应等因素决定。最简单的碳环——环丙烷和环丁烷具有26-28 kcal/mol的环应变。将碳碳多重键或桥键引入这些小环体系中，会引起额外的应变和结构刚性。例如，具有内环双键的环丙烯具有54 kcal/mol的环应变，而双环[1.1.0]丁烷的环应变高达66 kcal/mol。这些碳环在化学合成中作为中间体具有特别的吸引力，因其可以通过应变释放而转化成特殊的化合物；而在超分子材料领域，高环应变的碳环结构赋予少见的结构刚性，导致一些有趣的物理性质，比如高机械稳定性和高玻璃化转变温度。这些应变结构的固有能力也可以响应外力而得到释放，而导致物理性质（如电导率）发生根本改变，这是刺激响应材料非常需要的特征。

然而，高环应变大大增加了合成的难度。制备双环丁烷的常用路线是从二溴-2-(溴甲基)环丙烷亚结构开始，使用有机锂试剂进行锂-卤素交换，然后在严格无水和低温条件下进行亲核取代。另一种途径则是依赖碳烯到炔烃的双重转化，但是在文献中的几个例子大多局限于亚甲基碳烯。合成不对称双环丁烷结构非常有挑战性，并且可以同时产生多个手性中心。通过将对映选择性碳烯添加到炔烃中来进行环丙烯合成还需要基于铑、铱和钴的过渡金属手性催化剂。在温和条件下开发具有高效率和选择性的可持续催化系统，将是在合成高应变碳环方面的重大进步。

血红蛋白催化下双环丁烷的形成

（来源：Science）

酶是生物学上的催化剂，能够加速化学转化达到几个数量级，同时显示出对选择性的精确控制。尽管大自然已经合成出了各种含环丙烷的产物，但环丙烯或者双环丁烷片段却极为少见。这可能是由于在分离/纯化条件下这些结构的稳定性较差导致其分解。尽管如此，研究者设想通过定向进化来优化这些酶的活性和选择性，可以重新利用现有的酶来催化合成高应变碳环化合物。

来自美国加州理工学院的Frances H. Arnold教授所领导的一个研究小组设计了一种酶，在催化合成高应变碳环化合物方面迈出了一大步（DOI：10.1126/science.aar4239）。在制造出用于催化环丙烷化的酶之后，研究人员可以用这种新型生物催化剂将一个或两个碳烯与碳-碳三键反应制备出环丙烯或双环丁烷，而这是自然界没有发现过的反应。

双环丁烷的形成和衍生化的范围

（来源：Science）

Arnold教授的团队使用一种血红蛋白，是具有中心铁-卟啉配合物的金属酶。在人类和其他哺乳动物中，血红蛋白可以帮助将氧气从肺部传递到全身组织。通过定向进化改变蛋白质活性位点周围的氨基酸残基，直到他们发现了一种在反应方面表现优异的变体。进化蛋白甚至可以以手性方式进行反应：环丙烯几乎完全以单一对映异构体的形式被生产出来，并且双环丁烷反应首先产生exo-endo构型环。环丙烯可以用作合成结构单元、生物正交成像前体和聚合物合成中的单体。通过新的进化蛋白大规模生产环丙烯，可以方便研究人员进一步探索其在不同领域的潜在效用。

进化蛋白通过活化碳-碳键而使得碳烯添加到炔烃，稳定环丙烯中间体的反应性（双环丁烷的形成）以及碳烯转移过程的精确立体控制，实现了所需的转化。进化蛋白的生物催化反应具有令人惊讶的广泛底物范围，以及高反应性和选择性，为大规模制备超过25种产品提供路线。这种生物催化系统可以轻松合成自然界罕见的多功能分子结构，扩大了生物系统的一系列化学结构。

通讯作者：

Frances H. Arnold教授

第一作者：

Kai Chen