利用化学酶法直接活化C-H键插入含O原子官能团来形成具有特定活性的手性醇，能够减少合成步骤和材料浪费，是目前可持续的“绿色”合成策略(图1A,B)。美国西北大学化学系Karl A. Scheidt教授团队利用光氧化还原和底物宽泛性酮基还原酶(KREDs)组合策略，开发了一锅法苄基C-H键立体羟基化反应，不仅操作简单，广泛适用，还具有良好的位点特异性和立体选择性。

作者利用光氧化还原与酶法协同两步催化手性碳醇生产，第一步光氧化阶段， 具有强氧化力光化学催化剂Acr⁺-MesCIO₄^-在蓝光激活下，产生[Acr⁺-MesCIO₄^-]*，随后从苄基C-H键夺取一个电子，形成自由基负离子[Acr⁺-MesCIO₄^-]^•–和苄基阳离子，[Acr⁺-MesCIO₄^-]^•–随后被O₂氧化，形成Acr⁺-MesCIO4^-和氧自由基负离子O₂^•–，苄基阳离子丢失一个质子形成苄基自由基，随后与O₂/O₂^•–反应形成过氧化物中间体，脱水转化为芳香酮，或过氧化物中间体形成苄醇后被Acr⁺-MesCIO₄^-氧化再生成酮；第二步为酶还原阶段，芳香酮基被NAD(P)H依赖的酮基还原酶(KREDs)还原成芳香醇，NAD(P)被异丙醇再生为NAD(P)H(图1C)。

图1. 光与酶协同催化C-H键氧化形成手性碳醇。(A)C-H键活化成氧官能化羟基示意图；(B)定向进化与化学酶法催化C-O键形成；(C)光与酶法协同催化C-H键氧化形成手性碳醇机制推测。

作者随后优化了光化学反应体系，并在该反应条件下测试多种酮基还原酶的效率，最后发现KRED-P1-A04能将中间体2a转化为苄基醇(3a)，且分离产率高达94%。最终作者利用光催化剂(Acr⁺-MesCIO₄^-)和酮基还原酶(KRED-P1-A04)成功实现了甲氧基乙基苯(1a)转化为苄基醇(3a)的反应(反应体系包含：10%的乙腈水、底物、蓝光、光催化剂、氧气、酶、异丙醇以及NAD(P)H)(图2A,B)。另外，由于异丙醇会抑制光氧化反应，且蓝光不利于酶还原反应的进行，作者选择整个反应分两步进行，第一阶段光照4小时，然后关闭光源，添加异丙醇进行第二阶段酶还原反应(图2C)。

图2. 优化光酶协同催化生产苄基醇的条件。(A)反应具体条件与过程；(B)对照试验表明终产物的生成必须有底物、蓝光、光催化剂、氧气、酶以及NAD(P)H的参与；(C)反应时间曲线测定。

随后，作者探讨了反应的底物宽泛性和位点特异性。将对甲氧基乙基苯(1a)的对位取代基由甲氧基替换为卤素、甲基，或改变这些基团的取代位置，终产物醇的产率都在40%以上，且对映异构体比例≥99:1(图3)。同样的，当把乙基替换为苯甲基或者其他类型的取代基时，亦具有可观的产率和对映异构体选择性，只是当侧链含有酯键时，终产物为内酯(图3)。

图3. 光酶协同催化反应的底物宽泛性及相应效率的探索。

当作者以苯环上邻位双取代物作为底物时，光酶协同催化位点优先发生在电子云密度高的苄基位置，且电子云密度不同，终产物的产率和对映异构体比例也不同，证明该反应具有较高位点选择性(图4A)。最后作者在体系中添加自由基清除剂(TEMPO或BHT)，反应不能继续进行，验证了该反应发生是自由基机理。实验中作者发现如果底物是苄位醇的外消旋混合物，随着反应进行，能促使混合物往特定手性的苄位醇转化，这为去消旋化提供了新思路(图4B)。

图4. 光酶协同催化反应机理探索。

综上所述，作者首先利用光催化剂氧化底物形成芳香酮，再利用具有底物宽泛性的酮基还原酶将芳香酮还原为具有立体选择性的苄位醇，实现了C-H键的直接氧化官能团化。虽然自然界已有多种酶(如P450)可以催化实现该反应过程，本文提出的方法具有更加广泛的底物宽泛性，同时具有产率可观、对映异构体选择性、操作简易和绿色环保等多种优势。

美国西北大学化学系Karl A. Scheidt教授团队长期致力于发现新颖的催化反应，并率先开发有机小分子作为催化剂，用于催化具有良好应用前景的化学反应，为治疗癌症和神经系统疾病的活性天然产物及其衍生物提供了新的合成路线。

文章信息：Betori, R. C.; May, C. M.; Scheidt, K. A., Combined Photoredox/Enzymatic C-H Benzylic Hydroxylations. Angewandte Chemie 2019,58, 16490-16494. DOI:10.1002/anie.201909426

文章链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201909426

文献阅读作者：金红波(2015级直博生)

整理：王利娟博士后