双芳基化合物具有两个相连的芳环，广泛应用于医学、材料科学和不对称催化领域。为了获得这些有价值的化合物，必须加入芳烃构建块，这激发了几种形成二芳基键的方法，并促使化学家为这项任务开发出越来越简洁和可靠的方法。两个C–H键的氧化偶联为形成二芳基C–C键提供了一种有效的策略；然而，基本的挑战仍然存在于控制将给定的一对底物结合在一起的反应性和选择性方面。生物催化氧化交叉偶联反应通过提供催化剂控制选择性的范例，有可能克服许多小分子介导方法固有的局限性。
图片来源：Nature
有鉴于此，University of Michigan的Alison R. H. Narayan课题组报道了一种利用细胞色素P450酶通过氧化C–C键形成的生物催化交叉偶联策略。
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首先，对天然P450催化剂在酚类底物上催化交叉偶联反应的能力进行评估。作者认为，在酶活性位点结合两种非等效的酚类底物将克服小分子介导的氧化交叉偶联反应中传统的空间和电子限制。因此使用这种策略，考察P450酶KtnC对不同香豆素类底物的底物混杂性。实验结果显示，在底物4和9–12的交叉偶联反应中，底物C4和C5位置有取代基团产生交叉偶联产物是有益的，但不是活性所必需的。此外，KtnC可催化一系列含有富电子和缺电子取代基的香豆素，这与通常控制小分子催化氧化交叉偶联反应的空间和电子限制不同。
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随后，该项研究对P450酶KtnC进行工程化分子改造，通过半理性突变筛选出活性和选择性均有所提高的突变体。通过五轮进化，获得一个九突变体LxC5，使对目标交叉偶联产物的活性和位点选择性提高92倍。
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此外，在这项研究中除了通过分子进化提高P450的活性和选择性，还以生物信息学为指导，利用序列相似网络（SSN）挖掘一些具有反应互补性的P450酶。结果表明，挖掘出23个P450酶具有交叉偶联反应活性，其中部分酶对萘酚有活性，而这是KtnC不具有的活性。
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综上，这种构建空间位阻二芳基键的简化方法为组装具有催化剂控制的反应性和选择性的分子提供了一个可编程的平台。
参考文献：Biocatalytic oxidative cross-coupling reactions for biaryl bond formation
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DOI: 10.1038/s41586-021-04365-7
原文作者：Lara E. Zetzsche, Jessica A. Yazarians, Suman Chakrabarty, Meagan E. Hinze, Lauren A. M. Murray, April L. Lukowski, Leo A. Joyce & Alison R. H. Narayan ✉
