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黄素催化剂在有机合成中的应用

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引言

Flavin Catalysts

01

黄素辅因子介导氧化、脱氢、单加氧和还原等多样化学转化,其无金属、资源节约的特性使黄素催化成为现代有机合成的重要目标。数十年来,合成黄素的氧化还原性质已被系统研究,当前趋势涉及后期官能团化及新型衍生物设计。现聚焦近十年(定制)黄素在有机转化中的催化应用,按光化学氧化/还原、敏化、氧化、共价活化和Brønsted酸光催化依次展开。黄素依赖性酶催化不在此讨论。


图1. 取代黄素及相关化合物核心结构(FAD、FMN、RF、RFTA、RFTB)(图源:Angew. Chem., 2026, https://doi.org/10.1002/anie.6683110)

光化学氧化(通过自由基中间体)

Flavin Catalysts

02

激发态醌型黄素的氧化是最主要的反应模式,涉及碳中心自由基的生成。

苄位氧化。茴香醇(3)经激发黄素1氧化为苄位自由基4,生成4-茴香醛(5)(图2)。Gschwind揭示溶剂决定反应机理。Cibulka开发脱氮黄素盐2在无氧条件下氧化苄醇,与电化学联用可兼容硫醚。König实现4-甲基茴香醚(10)直接氧化,可扩展至缺电子底物并用于聚苯乙烯降解。


图2. 茴香醇34-茴香醛5;脱氮黄素盐2无氧氧化;4-甲基茴香醚(10)→4-茴香醛(5)。(图源:Angew. Chem., 2026, https://doi.org/10.1002/anie.6683110)

硅基烯醇醚氧化。12经黄素氧化为烯丙基自由基,在K₂S₂O₈存在下生成不饱和酮13(光化学Saegusa-Ito反应);可被缺电子烯烃16捕获生成酮18,或引入CF₃得到γ-三氟甲基酮19(图3)。β-酮酸20经氧化脱羧生成α,β-不饱和酮21


图3. 硅基烯醇醚12→不饱和酮13;自由基捕获→18/19;β-酮酸2021。(图源:Angew. Chem., 2026, https://doi.org/10.1002/anie.6683110)

二烯/脱氢氨基酸。环庚二烯(23)和脱氢氨基酸(26)生成自由基后与黄素22形成可逆共价加合物(如24),TEMPO捕获证实自由基中间体(图4)。


图4. 环庚二烯23→加合物24;脱氢氨基酸26→自由基28→酰亚胺29a/29b。(图源:Angew. Chem., 2026, https://doi.org/10.1002/anie.6683110)

胺氧化。叔胺30经氧化/去质子化生成亚胺阳离子32和烯胺33,用于生物活性分子标记(图5)。C6-Br黄素35因更高激发态氧化强度提高收率。氨基甲酸酯37在不同碱下分别生成半缩醛胺38或烯胺39


图5. 叔胺30→烯胺33;C6-Br黄素35提高效率;氨基甲酸酯373839。(图源:Angew. Chem., 2026, https://doi.org/10.1002/anie.6683110)

吲哚氧化。吲哚40经单电子氧化生成自旋离域阳离子,与脱氢丙氨酸41反应生成色氨酸衍生物42(图6)。


图6. 吲哚40→色氨酸衍生物42(图源:Angew. Chem., 2026, https://doi.org/10.1002/anie.6683110)

硫醚氧化。硫醚经单电子氧化/去质子化生成α-硫碳自由基,与脱氢氨基酸43反应生成甲硫氨酸衍生物44(图7);也可与烯烃/炔烃/腈反应。


图7. 硫醚→α-硫碳自由基→44;醚/缩醛→α-氧碳自由基→47/49。(图源:Angew. Chem., 2026, https://doi.org/10.1002/anie.6683110)

醚/缩醛氧化。经氢原子夺取生成α-氧碳自由基,与亚苄基丙二腈16生成α-取代醚47,或与脱氢氨基酸48生成非天然氨基酸衍生物49(图7右)。

酚/萘酚氧化。生成芳氧基自由基(52),用于酪氨酸近端标记(55)或分子内环化(51)(图8)。


图8. 萘酚50→芳氧基自由基52→环化产物51或加合物55。(图源:Angew. Chem., 2026, https://doi.org/10.1002/anie.6683110)

羧酸脱羧。激发黄素催化脱羧生成碳中心自由基,被57捕获实现肽C端选择性修饰(58)(图9)。与Selectfluor联用实现脱羧氟化。


图9. 肽56→修饰肽58;Fmoc-氨基酸56'→半缩醛胺59;脂肪酸→烯烃62;联苯羧酸63→香豆素64。(图源:Angew. Chem., 2026, https://doi.org/10.1002/anie.6683110)

硼酸氧化。光黄素催化氧化硼酸65生成芳基自由基,与缺电子烯烃57生成丙二酸酯66,可引入非天然氨基酸(67)(图10)。钯配合物可提高效率。


图10. 硼酸65→丙二酸酯66→肽67;钯配合物提高效率→70。(图源:Angew. Chem., 2026, https://doi.org/10.1002/anie.6683110)

光化学还原

Flavin Catalysts

03

激发氢醌型黄素71实现还原。巴比妥酸72还原为羰游基后经5-exo-trig环化生成半缩醛胺73(图11),化学选择性优于SmI₂。


图11. 巴比妥酸72→半缩醛胺73;杂化底物74化学选择性→76。(图源:Angew. Chem., 2026, https://doi.org/10.1002/anie.6683110)

脱氮黄素77经DIPEA还原生成半醌自由基,再激发后还原芳基溴78为脱卤产物79,定制催化剂可脱氯(8082)(图12)。去质子化咯嗪83也能还原4-溴苄腈84为苄腈85


图12. 脱氮黄素77→脱卤产物79;去质子化咯嗪8385。(图源:Angew. Chem., 2026, https://doi.org/10.1002/anie.6683110)

三线态能量转移

Flavin Catalysts

04

(−)-核黄素敏化不饱和酯。(E)- 86 →(Z)- 86 (图13)。环收缩黄素 92 (ET=244 kJ mol⁻¹)可敏化环庚二烯 23 生成双环 93 (图14)。咯嗪 97 (ET↑~40 kJ mol⁻¹)用于[2+2]光环加成(图15)。脱氮黄素 100 (ET=249 kJ mol⁻¹)活化和生物素衍生物 103 用于光邻近标记(图16)。





图13-16. 烯烃异构化(86→Z-86);环收缩黄素92→双环93;咯嗪97→[2+2]产物99;脱氮黄素100→光邻近标记。(图源:Angew. Chem., 2026, https://doi.org/10.1002/anie.6683110)

与O₂的反应

Flavin Catalysts

05

黄素敏化生成单线态氧,苯酚104→对醌甲基化物105→加合物106(图17)。氨基黄素108实现硅基烯醇醚12的Schenck烯反应。


图17. 苯酚104106;氨基黄素108→氢过氧化物107。(图源:Angew. Chem., 2026, https://doi.org/10.1002/anie.6683110)

黄素/碘联用。黄素盐109氧化I⁻再生碘催化剂,用于腙112→1,2,3-噻二唑114、吡唑啉酮115硫醚化、N-甲基吲哚118与吡唑119的C–N键形成(图18)。


图18. 黄素/碘联用:腙112114;吡唑啉酮115116;吲哚118+吡唑119120(图源:Angew. Chem., 2026, https://doi.org/10.1002/anie.6683110)

卤化。模拟黄素依赖性卤化酶,茴香醇.3.还原黄素后生成过氧酸123,将Cl⁻转化为亲电Cl物种实现茴香醚121氯化(图19)。双黄素126和LiBr实现酪氨酸124溴化。


图19. 茴香醚121122;酪氨酸124125(图源:Angew. Chem., 2026, https://doi.org/10.1002/anie.6683110)

通过共价中间体的催化

Flavin Catalysts

06

黄素盐127与硝基乙烷128形成共价加合物,经Henry反应生成129(图20);酯132与黄素134加合实现脱保护生成羧酸133。黄素盐135与PPh₃加合物实现Mitsunobu酯化(137)(图21);次亚膦酸酯加合物140作为甲基化试剂将吡啶141转化为142



图20-21. 硝基乙烷128→Henry产物129;酯132→羧酸133;黄素盐135→Mitsunobu酯化137;次亚膦酸酯→甲基化142。(图源:Angew. Chem., 2026, https://doi.org/10.1002/anie.6683110)

Brønsted酸光催化

Flavin Catalysts

07

RFTA光照生成质子化半醌(pKa=8.3),催化4-甲基苯甲醛142与丙烷-1,3-二硫醇143生成硫缩醛144(图22)。电化学产生的激发态质子化RFTB(pKa=-6)催化酯145→酰胺146的Ritter反应。


图22. 黄素半醌(pKa=8.3)→硫缩醛144;激发态质子化RFTB(pKa=-6)→Ritter反应146(图源:Angew. Chem., 2026, https://doi.org/10.1002/anie.6683110)

展望

Flavin Catalysts

07

近十年黄素催化剂在光氧化/还原、敏化和共价催化中展现丰富反应性,大多具仿生性质。主要挑战包括瞬态中间体(半醌、共价加合物、氢过氧化物)的表征、催化负载量降低和转化数提高。更深理解反应性(激发态)黄素物种将催生新反应性。化学设计的小分子结合口袋有望实现立体和位点选择性黄素催化。

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