从邻苯二胺到黄素衍生物：甲醛、氰化物和CO₂介导的潜在原始碳骨架扩展

引言

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01

小分子辅因子以催化方式调控酶促反应，控制氧化还原、电子传递及生物合成等核心生命过程。黄素蛋白作为关键氧化还原介体，在三羧酸循环等代谢通路中不可或缺。尽管黄素及其衍生物在原始地球上可能并非先决条件，但其存在可增加原始化学库的多样性。若黄素型杂环可从非生物原料中合成，则更广泛的氧化还原化学可能发生，为早期生化体系提供多样途径。辅酶对酶催化活性的必要性及其在复杂代谢网络涌现中的核心作用已被广泛认知。

生命起源假说常始于CO₂还原提供碳源，如热液喷口环境。在最后普遍共同祖先（LUCA）的自养核心中，辅因子生物合成占据重要地位。金属介导的氧化还原（如Fe⁰还原铁氧还蛋白）可能先于辅因子催化，而烟酰胺基化学（NADH/NAD⁺）可能早于黄素发挥作用，后者由GTP经蝶啶中间体生物合成，更可能是生物演化的产物。近期研究强调，黄素等多效辅因子是生物演化的结果而非原始库组分。然而，一个独立的问题是：alloxazine骨架是否可由简单构筑单元化学合成？这为黄素生物合成提供了补充视角。

图1. (A) 光黄素与核酸碱基的化学结构。(B) 熔融胍与2-氨基丙二腈及水解合成黄素类似物。(C) 6,7-二甲基-8-核糖醇基光黄素非酶歧化生成核黄素。（图源：Adv. Synth. Catal., 2026, https://doi.org/10.1002/adsc.70675）

异咯嗪（10-取代苯并[g]蝶啶-2,4-二酮）是黄素的氧化还原活性核心。其相关形式alloxazine光黄素（lumichrome）为N(1)-质子化互变异构体，虽为核黄素光降解产物，但仍具氧化还原活性，可在微生物光电化学中作为电子穿梭体。其三环骨架与核碱基相似（图1A）。我们推测，原始条件下C1小分子可组装形成alloxazine核心。此前研究展示了核黄素的非生物形成，但这些反应尚未整合为单一序列。Ji-Woong Lee团队报道了一条从芳香邻二胺、氰化物、CO₂和甲醛出发的潜在原始路径，生成多种黄素衍生结构，并实现光黄素的一锅法合成。

进展

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02

合成逻辑类比Strecker氨基酸合成，但利用二胺额外氨基对腈中间体进行分子内亲核进攻，直接生成杂环。以邻苯二胺和4-氟苯甲醛为模型底物（¹⁹F NMR监测）。芳香二胺的原始合理性由多项证据支持：苯/萘-H₂O/NH₃冰的UV辐照可生成苯二胺等；无催化剂等离子体化学可实现苯至苯胺的转化；Bennu小行星样品中检测到胺类、N-杂环及氨、氰化物等前体。此外，邻苯二胺结构单元嵌入维生素B₁₂，其厌氧合成途径可追溯至LUCA。

表1. 反应条件优化（图源：Adv. Synth. Catal., 2026, https://doi.org/10.1002/adsc.70675）

在 N₂气氛、60°C、甲醇溶剂中，产物1a获高转化率（表 1）。对照实验表明氰化物和醛均为必需（表1，条目2、5）。增加氰化物至2当量使收率提升至65%，氰化钠为最优C1源（79%）（条目11）。MeOH/H₂O（4:1, mol/mol）中收率48%，而更高水含量使收率降至24%（条目14）。CO₂气氛下反应主要生成氨基腈，环化受抑（见S4）。

方案1. 3,4-二氢喹喔啉-2-胺合成的底物范围（图源：Adv. Synth. Catal., 2026, https://doi.org/10.1002/adsc.70675）

在优化条件下，苯 -1,2-二胺和4,5-二甲基苯-1,2-二胺与多种醛反应，得到3,4-二氢喹喔啉-2-胺，经氧化分离为相应喹喔啉（方案1）。芳香醛和脂肪醛均适用，收率中等到良好。使用甲醛时，3位无取代的环状脒收率70%，表明即使在大量水存在下（市售甲醛为36%水溶液）反应仍高效。酮类（丙酮、六氯丙酮、二苯甲酮）因位阻不成功。

图2. ¹³C标记实验：(A) KCN中¹³C掺入环状脒，确认氰化物为碳源。(B) CO₂中¹³C掺入光黄素骨架，确认CO₂为碳供体。（图源：Adv. Synth. Catal., 2026, https://doi.org/10.1002/adsc.70675）

产物以脒形式分离，稳定性高。使用 ¹³C标记氰化物，在157.5 ppm处显示增强信号，确认氰化物为脒碳来源（图2A）。X射线晶体结构首次明确证实环状脒中间体（1h）的存在。 N1-甲基苯-1,2-二胺实验显示区域选择性成环，甲基位于内酰胺氮（N1）上。

图3. ¹H NMR监测1b氧化为2b（图源：Adv. Synth. Catal., 2026, https://doi.org/10.1002/adsc.70675）

化合物1b在空气中自发氧化为2b（图 3），该氧化可由H₂O₂/催化量FeCl₃促进，收率从37%提升至65%，暗示原始环境中铁盐可催化类似过程。

方案2. (A) 逐步反应条件评估。(B) Bucherer-Bergs反应机理。(C) CO₂ vs N₂气氛下氧化氰化收率对比。(D) 一锅法合成光黄素。（图源：Adv. Synth. Catal., 2026, https://doi.org/10.1002/adsc.70675）

经逐步条件评估（方案 2A），二胺、甲醛和氰化物通过缩合-Strecker-环化生成1g1k（良好收率），再经 H₂O₂/FeCl₃氧化得2g2k。氰化步骤（引入 C1）初期为瓶颈：光化学法使用丙酮氰醇收率低且需O₂；改用tBuOOH或H₂O₂时，CO₂气氛显著优于N₂（如H₂O₂下收率从2-5%提升至35%；tBuOOH下从5%提升至41%），归因于CO₂与H₂O₂生成更强氧化剂过氧单碳酸盐及酸性微环境（方案2C）。对照实验添加乙酸可模拟此效应。基于此提出无金属自由基机理。

CO₂促进的氧化步骤后，在DBU存在下，CO₂介导的羧化-环化顺利生成alloxazine，收率90%。该转化类似Bucherer-Bergs反应（方案2B），但生成六元尿嘧啶型环而非五元乙内酰脲。最终，从4,5-二甲基苯-1,2-二胺出发，不经中间体分离，经（1）与甲醛/氰化物缩合、（2）蒸发（模拟干-湿循环干燥事件，促进好氧氧化）、（3）丙酮氰醇光化学氰化（模拟再水化）、（4）DBU/CO₂环化，以4%总收率获得光黄素（方案2D）。该序列展示了黄素衍生杂环从邻二胺、甲醛、氰化物和CO₂出发的潜在原始合成途径。

展望

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03

从简单C1构筑单元（甲醛、氰化物、CO₂）和芳香邻二胺合成alloxazine及光黄素的化学合理路径。序列经Strecker缩合、温和氧化（ROS或金属离子）、氰化（光化学或ROS驱动）及CO₂环化，高效构建三环骨架。一锅法合成光黄素无需中间体分离。强调了alloxazine骨架从简单C1原料的化学可及性，独立于其演化历史。尽管部分试剂为现代实验室工具，但各关键转化类型（氰化、缩合、氧化、CO₂介导环化）在原始条件下均有合理化学类似物（如矿物表面催化、干-湿循环、光化学ROS生成）。此路径为黄素衍生杂环在早期地球环境中的可能形成提供了实验支持。

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