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儀表網 研發快訊】含有氮氮鍵的官能團廣泛存在于天然產物中。具有此類官能團的分子因反應性和結構多樣性，在合成化學領域中具有應用前景。盡管各類天然產物均發現了含有氮氮鍵的各種化合物，但催化氧化偶氮鍵成鍵的酶催化劑卻較為少見。這類化合物因獨特的結構而表現出廣泛的生物活性，如抗真菌和細胞毒性作用等，F代化學需要合成氧化偶氮化合物從而創制多種多樣的含氮類分子。而氧化偶氮化合物可以通過利用硝基或氨基底物的氧化還原反應來合成。目前，催化氧化偶氮分子合成的酶僅限于硝基還原酶和AzoC非血紅素雙鐵N-加氧酶。這兩類酶需要依賴昂貴的煙酰類輔酶，且在催化選擇性控制與產物滴度提升等方面存在挑戰。因此，發展新型的酶催化氧化偶氮分子的合成方法，對探討關鍵催化機制具有重要意義。
近日，中國科學院天津工業生物技術研究所研究員張武元帶領的生物有機與催化工程研究團隊，為拓展酶催化合成氧化偶氮類分子，從機理分析和反應設計等角度出發，建立了以非輔酶依賴的過氧合酶催化合成氧化偶氮分子的新方法。研究顯示，在過氧化氫共底物的存在下，過氧合酶可氧化苯胺類底物依次生成羥胺和亞硝基中間體，且二者隨后自發縮合生成氧化偶氮基產物。在設計的反應體系下，過氧合酶的催化周轉數可達48450，催化周轉頻率為6.7-1，是目前文獻報道的最高值。該酶的催化底物譜廣，實現了至少25個以上含有不同取代基的苯胺、含雜原子喹啉、吡啶等氨基衍生物的催化氧化合成對應的氧化偶氮分子。同時，在該反應體系下，研究可實現分子間的氧化偶聯反應，從而為合成結構多樣的氧化偶氮骨架分子提供了新方法。這一反應體系易于放大，在6L的放量合成實驗中獲得38.5g產品，分離收率為95.6%，無副產物積累。
進一步，通過分子動力學模擬及量子化學計算等方法，該團隊提出了過氧合酶催化合成的氧化偶氮分子的反應機理。過氧合酶與苯胺化合物結合，通過N-氧化機制生成羥胺，進而通過兩個HAT生成亞硝基苯。兩個中間體即苯羥胺和亞硝基苯自發脫水縮合生成氧化偶氮苯，且勢壘僅為15.7Kal/mol。該研究發展了新型分子合成方法，對豐富血紅素類氧化酶的理論與技術方法具有重要意義。
相關研究成果發表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、天津市合成生物技術創新能力提升行動專項的支持。該成果由天津工生所和西安交通大學合作完成。
過氧合酶催化氧化偶氮分子合成
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