近年來，甲醛作為一種來源豐富且高反應(yīng)活性的C1分子化合物，在合成高附加值化學(xué)品方面展現(xiàn)出巨大的潛力。以甲醛為底物，通過形成碳-碳（C-C）鍵延長碳鏈的催化反應(yīng)尤其重要。傳統(tǒng)的化學(xué)方法雖然可以實(shí)現(xiàn)甲醛的C-C鍵形成，但通常需要苛刻的反應(yīng)條件，且產(chǎn)率和化學(xué)選擇性較低。相比之下，生物催化因其溫和的反應(yīng)條件和良好的選擇性，逐漸成為甲醛C-C鍵形成的有力工具。自然界中，醛縮酶和焦磷酸硫胺素（ThDP）依賴性酶是催化C-C鍵形成的主要生物催化劑，這兩類酶能夠催化甲醛參與的C-C鍵形成，生成羥甲基化合物。因此，很多研究聚焦于利用醛縮酶或者ThDP-依賴性酶催化甲醛的C-C鍵連接反應(yīng)，或者偶聯(lián)其他酶促反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)多官能團(tuán)化合物的合成。
近日，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所朱敦明、吳洽慶研究員帶領(lǐng)的生物催化與綠色化工研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表了關(guān)于生物催化甲醛高值化利用合成多官能化合物的綜述文章。該文章系統(tǒng)總結(jié)了近五年來醛縮酶、ThDP-依賴性酶催化甲醛形成C-C鍵的研究進(jìn)展，重點(diǎn)關(guān)注這兩類酶在多酶級聯(lián)反應(yīng)體系中，利用甲醛合成高附加值多官能團(tuán)化合物的應(yīng)用。
甲醛的生物轉(zhuǎn)化：C-C鍵形成的關(guān)鍵生物催化劑 醛縮酶和ThDP依賴性酶可以利用甲醛，通過C-C鍵形成合成β-羥基羰基化合物和α-羥甲基羰基化合物，但是其催化活性較低且底物適用范圍較窄。因此，很多研究聚焦于蛋白的工程化改造，通過半理性設(shè)計(jì)和定向進(jìn)化等技術(shù)手段，成功獲得了多個催化性能提升的ThDP依賴性酶和醛縮酶突變體，使其在甲醛參與的C-C鍵形成反應(yīng)中表現(xiàn)出良好的活性和選擇性，高效合成了α-羥甲基酮、β-羥基酮酸、羥基醛等化合物。 多酶級聯(lián)反應(yīng)：合成復(fù)雜多官能團(tuán)化合物的新策略 多酶級聯(lián)反應(yīng)因其高效、過程簡潔等特點(diǎn)，在多官能團(tuán)化合物合成中一直得到了廣泛應(yīng)用。通過將醛縮酶或ThDP依賴性酶催化的甲醛C-C鍵連接反應(yīng)偶聯(lián)還原胺化、羰基還原、氧化反應(yīng)或者磷酸化反應(yīng)，成功構(gòu)建了多條人工合成途徑，實(shí)現(xiàn)了從甲醛和簡單化合物出發(fā)到高值多官能團(tuán)化合物的高效、綠色合成。 未來展望 雖然甲醛的可控轉(zhuǎn)化仍然面臨諸多挑戰(zhàn)，但是隨著更多高效生物催化劑-醛縮酶和ThDP依賴性酶的發(fā)現(xiàn)和多酶級聯(lián)反應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用，甲醛作為一種新興的C1資源，將在合成高附加值化合物方面展現(xiàn)出巨大的潛力。 論文信息 Formaldehyde-Enabled Enzymatic Hydroxymethylation for the Synthesis of High Value-Added Multifunctional Compounds Dr. Yu Li Yue Fan, Prof. Dr. Peiyuan Yao, Prof. Dr. Qiaqing Wu, Prof. Dr. Dunming Zhu ChemCatChem DOI: 10.1002/cctc.202402005
