導(dǎo)讀

近日，南京工業(yè)大學(xué)胡燚課題組和美國斯克里普斯研究所（The Scripps Research Institute）余金權(quán)課題組聯(lián)合報道了利用商業(yè)可得的酶作為鈀催化劑的配體，在芳烴的鄰位和間位C-H活化中實現(xiàn)了增強(qiáng)的反應(yīng)性和極高的單選擇性（高達(dá)99%）。這些反應(yīng)原本使用雙功能單N-單保護(hù)氨基酸配體（MPAA）來實現(xiàn)，但單選擇性較差。值得注意的是，Pd-酶復(fù)合物被確定為活性催化劑物種。對酶的機(jī)理研究和結(jié)構(gòu)分析表明，酶的一級結(jié)構(gòu)、序列長度以及具有疏水側(cè)鏈的氨基酸百分比對于實現(xiàn)單選擇性至關(guān)重要。此外，基于這些發(fā)現(xiàn)，作者還進(jìn)一步開發(fā)了一種含有甘氨酸的低聚肽，能夠?qū)崿F(xiàn)類似的高單選擇性。相關(guān)成果發(fā)表在Nat. Catal.上，文章鏈接DOI：10.1038/s41929-025-01407-5。

（圖片來源：Nat. Catal.）

正文

在C-H活化反應(yīng)中，當(dāng)存在多個相同的C-H鍵時，實現(xiàn)單選擇性活化是一個重大挑戰(zhàn)。盡管近年來位點選擇性和對映選擇性C-H活化已取得了快速發(fā)展，但大量C-H活化反應(yīng)仍然存在單選擇性差的問題。最近，南京工業(yè)大學(xué)胡燚課題組和美國斯克里普斯研究所（The Scripps Research Institute）余金權(quán)課題組利用蛋白質(zhì)和低聚肽作為有效配體，其可以在Pd(II)催化的C-H活化反應(yīng)中發(fā)揮MPAA配體的功能，單一選擇性的實現(xiàn)鄰位或間位的C-H活化反應(yīng)（高達(dá)99%）。反應(yīng)中Pd-酶復(fù)合物為反應(yīng)中的活性催化劑物種（Fig. 1）。

（圖片來源：Nat. Catal.）

作者首先以1a和丙烯酸乙酯為底物對反應(yīng)進(jìn)行探索（Fig. 2a）。通過一系列條件篩選，作者發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用1a (1.0 equiv), 丙烯酸乙酯 (3.0 equiv), Pd(OAc)2 (10 mol%), Novozyme 435 (1 mg), nBu4NIO4 (2.0 equiv), 在HFIP中60 oC反應(yīng)24小時，可以以89%的產(chǎn)率得到間位烯基化產(chǎn)物2a (mono:di = 98:2)（entry 1）?？刂茖嶒灡砻?，當(dāng)使用Ac-Gly-OH 配體時或沒有Novozyme 435存在時，產(chǎn)物的產(chǎn)率和選擇性均有所降低。

為探究酶配體在單選擇性間位C-H活化中的應(yīng)用，作者使用多種帶有模板T1的底物在最優(yōu)條件下進(jìn)行間位烯基化反應(yīng)。相比使用Ac-Gly-OH配體時對未取代苯基底物僅得到較低產(chǎn)率的單-和雙-烯基化混合產(chǎn)物，目前采用酶配體的方法能以優(yōu)異的單選擇性獲得間位烯基化產(chǎn)物2a-2c（51-88%）。盡管鄰位取代基造成的位阻會在一定程度上阻礙間位C-H活化，但使用Ac-Gly-OH配體仍會產(chǎn)生大量雙烯基化產(chǎn)物。而使用Novozyme 435替代Ac-Gly-OH則能獲得優(yōu)異的單選擇性和良好產(chǎn)率(2d-2h)。此外，該酶配體也適用于對位取代或聯(lián)苯基底物，提供較高的單選擇性(2i-2l, 74-81%)。在苯乙酸的間位C-H烯基化反應(yīng)中，用酶替代Ac-Gly-OH配體也能以中等產(chǎn)率（51-63%）和高單選擇性獲得產(chǎn)物2u-2x（Fig. 2b）。對于帶有T2的苯甲酸底物，使用Novozyme 435作為配體可實現(xiàn)91-96%的單選擇性(2y-2ab)（Fig. 2c）。

（圖片來源：Nat. Catal.）

鄰位C-H活化的較高反應(yīng)性為實現(xiàn)單鄰位選擇性帶來了更大的挑戰(zhàn)（Fig. 3）。為了進(jìn)一步評估這種酶配體策略在增強(qiáng)單選擇性方面的通用性，作者首先選擇嘗試Pd(II)催化的Weinreb酰胺導(dǎo)向的苯甲酸鄰位C-H烯基化反應(yīng)，因為該反應(yīng)在Ac-Gly-OH配體存在下會產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的雙烯基化產(chǎn)物。當(dāng)作者使用Novozyme 435替代Ac-Gly-OH顯著提高了單選擇性（4a-4d）。對于苯乙酸底物，通過篩選一系列商業(yè)可用的酶，作者得出Lipozyme RMIM能夠以高產(chǎn)率和92-96%的單選擇性得到單烯基化產(chǎn)物4e-4h（Fig. 3a）。同樣，這種用于提高單選擇性的酶配體策略也同樣適用于氫化肉桂酸底物（4i-4l）。隨后，該策略可成功擴(kuò)展到酯導(dǎo)向的鄰位C-H烯基化反應(yīng)，當(dāng)使用Candida rugosa脂肪酶（E9）作為酶配體時，產(chǎn)物6a的單選擇性達(dá)到99%。作者之前研究的MPAA促進(jìn)的游離羧酸鄰位C-H烯基化反應(yīng)一直受到單烯基化和雙烯基化產(chǎn)物混合物形成的困擾。作者發(fā)現(xiàn)，Lipozyme RMIM和Novozyme 435都能以高單選擇性得到所需的鄰位烯基化產(chǎn)物6b-6e（Fig. 3b）。

（圖片來源：Nat. Catal.）

為深入理解酶控制的單選擇性，作者嘗試制備Pd-CALB復(fù)合物以探究鈀在酶CALB上的結(jié)合位點。然而，直接將Pd(OAc)2與游離CALB孵育導(dǎo)致大聚集體形成，阻礙了結(jié)合模式分析。受金屬-酶納米雜化物的啟發(fā)，作者將CALB與Pluronic F-127偶聯(lián)獲得CALB-P納米偶聯(lián)物，隨后合成三種不同比例的Pd-CALB-P復(fù)合物。催化活性測試表明，Pd:CALB-P (2:1)復(fù)合物表現(xiàn)優(yōu)異，對間位烯基化產(chǎn)物2a實現(xiàn)98%單選擇性和76%收率。HR-TEM圖像和元素映射證實已成功制備了無聚集的Pd-CALB-P納米顆粒，作者觀察到Pd納米顆粒被CALB-P納米偶聯(lián)物包圍，表明Pd催化劑廣泛結(jié)合在CALB蛋白表面。XPS分析顯示納米偶聯(lián)物中主要檢測到Pd2+物種，O 1s XPS譜中530.8 eV處的峰歸屬于O-Pd鍵，且排除了該鍵來自Pd(OAc)2的可能性，表明Pd2+與CALB-P的氧原子共價結(jié)合形成活性Pd-酶物種。這些表征結(jié)果表明，空間位阻的蛋白配體CALB阻礙了第二次C-H官能團(tuán)化，從而得到高單選擇性（Fig. 4）。

（圖片來源：Nat. Catal.）

為深入研究酶結(jié)構(gòu)對單選擇性的影響，作者首先測試了變性Novozyme 435作為配體的效果，以78%收率和96%的單選擇性得到目標(biāo)產(chǎn)物2a，表明酶配體的一級結(jié)構(gòu)可能是其單選擇性的關(guān)鍵因素。這一發(fā)現(xiàn)引發(fā)了對是否可借鑒不對稱催化方法理性設(shè)計寡肽配體來實現(xiàn)單選擇性C-H活化的思考。因此，作者對寡肽和多種酶進(jìn)行了結(jié)構(gòu)-選擇性關(guān)系研究。有趣的是，當(dāng)氨基酸與Pd比例維持在1時，九種不同酶E1-E9均表現(xiàn)出高單選擇性(92-98%)，而兩種寡肽O1和O2則顯示較低單選擇性(82%和86%)，表明實現(xiàn)高單選擇性可能需要最小序列長度。在酶中，氨基酸殘基結(jié)構(gòu)也起關(guān)鍵作用并導(dǎo)致單選擇性差異，如E3、E4和E8的單選擇性相對較低。分析顯示，選擇性最高的酶E1和E6含有較高比例的疏水側(cè)鏈氨基酸(Gly、Ala和Val)，而選擇性最低的E3、E4和E8這些氨基酸比例較低。這些數(shù)據(jù)表明，實現(xiàn)單選擇性的三個關(guān)鍵因素是：氨基酸與Pd比例應(yīng)接近或超過1，較長序列長度有益，較高比例的疏水側(cè)鏈氨基酸殘基更佳（Fig. 5）。

（圖片來源：Nat. Catal.）

基于上述結(jié)果，作者設(shè)計了一系列含甘氨酸且序列長度不同的寡肽(O3-O12)用于單選擇性間位C-H活化反應(yīng)。令人滿意的是，八肽O10以82%的收率和優(yōu)異的97%單選擇性獲得目標(biāo)產(chǎn)物，與Novozyme 435的結(jié)果相當(dāng)。此外，研究還考察了含疏水氨基酸的寡肽，包括五丙氨酸和五纈氨酸(O13和O14)，它們得到了與五甘氨酸相當(dāng)?shù)膯芜x擇性。隨后，作者檢測了一系列市售寡肽O15-O21，發(fā)現(xiàn)隨著肽中甘氨酸、丙氨酸或纈氨酸比例增加，單選擇性會提高，這可能是由于這些基團(tuán)可作為有效的雙功能MPAA配體。為進(jìn)一步確認(rèn)寡肽防止雙C-H官能團(tuán)化的能力，作者使用單烯基化產(chǎn)物2amono作為底物在條件A下進(jìn)行反應(yīng)。值得注意的是，使用八肽O10作為配體時，二烯基化產(chǎn)物2adi的收率較低；相比之下，選擇性較低的配體O4則產(chǎn)生了大量的雙C-H烯基化產(chǎn)物。這些發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步支持了前述觀察，突顯出由八個甘氨酸殘基組成的寡肽O10是實現(xiàn)優(yōu)異單選擇性的最佳配體（Fig. 6）。

（圖片來源：Nat. Catal.）

總結(jié)

胡燚課題組和余金權(quán)課題組合作確立了蛋白質(zhì)和低聚肽作為有效配體的地位，它們可以在Pd(II)催化的C-H活化反應(yīng)中發(fā)揮MPAA配體的功能。這一發(fā)現(xiàn)為實現(xiàn)鄰位或間位C-H活化反應(yīng)的單選擇性這一重要挑戰(zhàn)提供了有效的解決方案。其中Pd-酶復(fù)合物是控制單選擇性的活性物種。此外，初步實驗和分析表明，特定的序列長度以及具有疏水側(cè)鏈的氨基酸殘基的存在對實現(xiàn)單選擇性至關(guān)重要?；谶@些發(fā)現(xiàn)，作者還成功發(fā)現(xiàn)了一種含有甘氨酸的八肽配體，其能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)異的單選擇性。這不僅為C-H活化提供了新工具，也為生物-化學(xué)交叉催化提供了新范式。未來有望在此基礎(chǔ)上發(fā)展出更多高選擇性、高對映選擇性的C-H轉(zhuǎn)化方法。

文獻(xiàn)詳情：

Achieving mono-selective palladium(II)-catalysed C–H activation of arenes with protein ligands.

Hua-Jin Xu, Zhoulong Fan, Bin-Bin Nian, Chen-Hao Gu, Shuo-Jie Shen, Wei Zhang, Yi Hu , * Jin-Quan Yu*

Nat . Catal.,2025

https://doi.org/10.1038/s41929-025-01407-5

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