山东大学李盛英教授/陈辉教授课题组Angew：成功实现化学惰性碳氢化合物温和条件下转化为手性氨基酸

导读

近日，山东大学教授、陈辉教授课题组在Angew上发表了题为“One-Pot Biocatalytic Conversion of Chemically InertHydrocarbons into Chiral Amino Acids through Internal Cofactorand H2O2 Recycling”的研究论文，提出了一种新的多酶级联转化系统，在温和条件下成功将化学惰性谈情化合物转化为高光学纯度的手性氨基酸。

正文

以烃类化合物为代表的惰性碳氢化合物是石油分馏炼制的产物。由于烃类化合物较强的化学惰性，工业上并不将其作为化工基本原料，而是作为燃料通过燃烧提供能量。但如果能够将惰性烃类化合物作为原料合成各类高附加值化学品，将对石化产业降本增效与产业升级具有重要意义。手性氨基酸是一种广泛应用于食品、农业、制药、化妆品和饲料行业的高附加值化学品。如果能够以惰性烃类化合物为原料，将其高效转化为高附加值手性氨基酸，将对降低手性氨基酸的制造成本，延伸石化原料加工产业链长度并进一步促进合成化学、合成生物学与绿色生物制造的技术进步具有重要的理论和现实意义。然而实现惰性烃的深度转化面临两个重大挑战：一是惰性烃类化合物中C-H键在温和条件下的选择性活化；二是实现复杂转化路线的有效设计与构建。

近日，山东大学及李盛英教授/陈辉教授在Angew上发表了题为：“One-Pot Biocatalytic Conversion of Chemically Inert Hydrocarbons into Chiral Amino Acids through Internal Cofactor and H2O2 Recycling”的研究论文，提出了一种新的多酶级联转化系统，在温和条件下成功将化学惰性碳氢化合物转化为高光学纯度的手性氨基酸。该系统以庚烷的多酶级联转化为模型，通过两次借氢循环和H2O2原位生成利用，以氧气为氧化剂、铵为氨基供体，最终实现化学惰性庚烷向 (S)-2-氨基庚酸的转化（图1）。

图1将庚烷转化为(S)-2-氨基庚酸的多酶级联深度转化示意图，蓝框为模块一：庚烷到2-羟基庚酸的转化过程；黄色框为模块二：2-羟基庚酸到(S)-2-氨基庚酸的转化过程。

反应通过两个连续的功能模块实现。模块一是庚烷的两步区域选择性C-H键氧官能化（图1），采用基于借氢循环的NADH再生方法实现庚烷末端C-H键氧官能化，生成庚酸。利用H2O2原位生成与消耗策略实现庚酸α-碳的C-H键氧官能化，证明原位生成的H2O2足以驱动庚酸α-羟基化反应，并且反应充分，庚酸全部转化为2-羟基庚酸（图2b）。通过优化初始底物庚烷以及辅因子NADH浓度，反应16小时后2-羟基庚酸浓度达到最高值5.16 mM（图2a）。

图2. (a) 模块一1-庚醇、庚醛和庚酸浓度时间跟踪曲线。(b) 模块一加入过氧化氢酶清楚H2O2后1-庚醇、庚醛和庚酸浓度时间跟踪曲线。

模块二是2-羟基庚酸的不对称还原胺化反应，再次利用基于借氢循环的NADH再生方法驱动还原胺化，于α-碳上引入氨基，实现从2-羟基庚酸到(S)-2-氨基庚酸的转化，最终(S)-2-氨基庚酸浓度达4.57 mM（图3）。

图3. 模块二中2-羟基庚酸、2-羰基庚酸和(S)-2-氨基庚酸浓度时间跟踪曲线

基于庚烷到(S)-2-氨基庚酸的成功转化，进一步选择5种脂肪烃或芳香烃作为起始底物合成手性氨基酸。除2-甲基戊烷外，所有化学惰性烃都转化为相应的手性氨基酸，并且所得手性氨基酸对映体过量值(eep)均大于99%（表1）。

表1. 各种惰性碳氢化合物转化为手性氨基酸

小结

该研究开发的多酶级联惰性烃深度转化系统能够以一种环保、温和的方式深度转化和利用石油原料中的惰性碳氢化合物。该方法与传统有机合成方法相比能够更有效地满足绿色化学的要求。

山东大学李盛英教授、陈辉教授为文章的通讯作者，山东大学硕士研究生王爱文为文章第一作者。

作者简介

陈辉，山东大学微生物技术国家重点实验室教授，博士研究生导师。博士毕业于浙江大学生物化工专业。先后在美国弗吉尼亚理工，明尼苏达大学双城分校和犹他大学化学系从事博士后研究工作。2021年晋升犹他大学化学系研究助理教授。2022年加入山东大学微生物技术国家重点实验室。先后获评国家海外高层次青年人才，山东省泰山学者青年专家和山东大学杰出中青年学者。目前已在Nature Catalysis、Chemical Reviews、JACS、Angewandte Chemie、ACS Catalysis 等学术刊物发表论文30余篇。研究领域：1. 基于生物电催化的CO2、N2固定及惰性化合物深度转化；2. P450及其他具有工业应用价值酶的酶学与酶工程; 3. 生物催化与生物转化。

根据课题组发展需要，现拟招聘博士研究生（有名额），博士后、助理研究员以及副研究员。欢迎有生物电化学、酶/微生物燃料电池、生物催化、合成生物学相关背景的同学和科研工作者联系。有意应聘者请将简历发送到电子邮箱：Chen.Hui@sdu.edu.cn

文献详情：

One-Pot Biocatalytic Conversion of Chemically Inert Hydrocarbons into Chiral Amino Acids through Internal Cofactor and H2O2 Recycling

Aiwen Wang, Yongze Wang, Yuanxiang You, Zhiqing Huang, Xingwang Zhang, Shengying Li, Hui Chen，

Angew. Chem. Int. Ed.2024

https://doi.org/10.1002/anie.202410260

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