图1. 图文摘要

2-氨基苯并噁唑和2-氨基苯并噻唑类化合物是重要的生物活性物质和有机砌块，现有的合成方法存在诸多问题，如催化剂负载量高、反应条件苛刻以及使用强氧化剂、有机溶剂和昂贵的有毒金属催化剂等。生物催化是一种可持续和环境友好的重要有机合成策略。近来发现酶具有催化非专一性（催化多功能性），可以高效催化多种非天然反应。血红蛋白是一大类利用铁卟啉活性位点催化的蛋白质，由于其经济性、低成本和良好的稳定性，是理想的生物催化剂。

皇冠官方手机端官网(中国)有限公司王磊教授课题组一直致力于酶催化非天然反应的研究，基于脂肪酶催化非专一性合成多取代吲哚（Bioorg. Chem.,2021,107:104583）、多羟基烷基呋喃等（Process Biochem.,2021,101:99-103）；基于血红蛋白催化非专一性合成不对称三取代1,3,5-三嗪（Mol. Catal.,2021,505:111519）、吲哚嗪（Eur. J. Org. Chem.,2019,7720-7724）及喹喔啉类化合物等（Org. Lett.,2020,3900-3904）。近期，王磊教授课题组首次以透明颤菌血红蛋白(Vitreoscilla hemoglobin,VHb)为蛋白框架构建了含钴卟啉辅因子的人工金属酶VHb(Q53H, P54C)[Co(ppIX)]，通过卟啉合成缺陷菌生物表达的方法将原始血红素配体替换为人工合成的钴卟啉配体，并进一步在活性中心附近定点突变以提升催化性能，随后进行了2-氨基苯并噁唑和2-氨基苯并噻唑类化合物底物适用性的探索，以及反应机理的探究，在此基础之上利用反应中间体与突变前后的蛋白进行分子对接，针对催化性能的提升给出了合理的解释。

图2. 突变前后的人工金属酶与反应中间体的分子对接

最终利用该人工金属酶实现了在有氧条件下水中绿色、高效地合成2-氨基苯并噁唑和2-氨基苯并噻唑，其产率高达97%，催化常数高达4850，且具有广泛的底物实用性。

该项研究拓展了酶催化在有机合成中的应用，并可通过定向进化、蛋白质工程等手段进一步改造，开发酶在其他新型非天然反应及不对称催化中的应用。相关成果已发表于Green Chemistry (2021,23, 8047-8052)，并被收录于2021年度热门文章合集（2021 Green Chemistry Hot Articles）。王磊教授课题组博士生许雅宁为本文的第一作者，王磊教授和李正强教授为本文的共同通讯作者。该项工作得到了国家自然科学基金（31670797）和国防创新特区项目的支持。

课题组公众号：JLU酶促有机合成

原文链接：https://doi.org/10.1039/D1GC02533C