生物催化与化学催化结合对可持续合成重要构建块具有巨大潜力，但酶对水性环境的严格要求及在苛刻条件下的稳定性不足，限制了高效级联反应的开发。传统金属催化常需有毒溶剂和苛刻条件，会导致酶在有机溶剂中溶解度和活性降低。利用胶束制作的PCRM (Prefabricated Catalyst-Reactant Mixtures) 是一种用于整合酶促卤化与金属催化偶联反应的关键策略, 可在水中实现有机与酶促反应的串联，隔离酶与化学催化剂，为解决两者兼容性问题提供可能。基于此，研究团队开发H³CP平台，整合酶促与金属两种催化优势，实现区域选择性 C-H 官能化。

平台核心组成：（图1）

酶促卤化：利用黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）依赖的卤化酶（FDHs）和钒依赖的卤过氧化物酶（VHPOs），对底物进行区域选择性卤化，为后续交叉偶联反应引入溴原子。

赫克偶联：在胶束PCRM于水中形成的原位反应容器中，进行水相钯催化的赫克偶联反应，实现碳-碳键的形成。

酶促水解：使用猪肝酯酶（PLE）催化酯的皂化反应，得到目标丙烯酸产物。

（图1，来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

研究人员首先研究了区域选择性酶促卤化反应。他们利用黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）依赖性卤化酶（FDHs）和钒依赖性卤过氧化物酶（VHPOs）对多种底物进行选择性官能化。筛选三种 FDHs（RebH、PrnA 和 PyrH），发现它们对 23 种不同底物表现出不同偏好。例如，PyrH 在 1a、2a、4a-6a 和 14a 上表现最佳，PrnA 适用于 7a 和 12a，RebH 则在 8a-11a 和 13a 上效果良好。引入 AmVHPO 拓展底物范围至 15a-23a，实现对茴香醚、取代苯酚、苯胺和杂环化合物的选择性卤化。（图2）

（图2，来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

随后，研究者将酶促卤化与Heck偶联直接在同一容器中结合。其采用的PCRM (Prefabricated Catalyst-Reactant Mixtures) 策略，作为预组装的反应体系，能够在水性介质中形成动态的疏水反应微环境，将金属催化的赫克偶联反应限制在胶束内核进行，同时兼容酶促反应的水性外环境，避免酶与化学催化剂的直接接触和失活，且简化了反应操作。即使存在酶促卤化步骤的残留（如缓冲液、辅因子、酶等），反应产率也无显著下降。从而验证了酶促卤化和 Heck 偶联反应可以在同一反应体系中直接进行。（图3&4） 

（图3，来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

（图4，来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

作者随后将卤化 - Heck偶联 - 水解三步反应整合，对多种底物进行转化。其水解步骤可直接利用前序反应液，无需去除 PCRM成分，实验表明这些成分对水解酶的活性无显著抑制。（图5） 

（图5，来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

基于此，作者对H³CP进行放大应用。初始测试表明，放大反应中产率大幅降低是由于，大规模反应中酶易受温度波动、底物浓度不均等因素影响而导致酶活性下降或酶的稳定性不足，从而进一步导致卤化步骤效率下降。且所用的卤化酶FDHs和AmVHPO需通过重组E. coli表达并纯化，非商业可得，大规模反应中若直接使用游离酶，会因酶的大量消耗导致成本剧增。

因此，研究者针对两种不同类型的卤化酶（FDHs与VHPO），分别采用了交联酶聚集体（CLEAs）和分子量截留（MWCO）膜封装酶两种策略。

使用CLEAs策略得到的酶催化剂CLEA-FDHs，增强了结构稳定性，重复使用后活性仍超90%。适配的辅因子再生系统有效降低了对NADH的消耗。

MWCO膜封装酶Encapsulated-AmVHPO，可以允许底物/产物透过膜，有效避免酶与金属催化剂直接接触，防止生物催化剂的失活且易于更换。通过缓冲液洗涤再生酶活性，保留100%催化能力。适用于VHPO催化的卤化反应类型。

两种策略均提升酶稳定性与循环使用能力，突破传统酶促反应放大时因酶易失活导致的产率衰减问题，成功将反应放大至1 mmol规模。（图6）

（图6，来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

方法创新：H³CP 平台有效解决了酶促与化学催化的反应不相容性问题，为开发多功能、可持续的chemo-enzymatic级联反应提供了新思路。

绿色合成价值：在温和水性条件下操作，减少有机溶剂使用，符合绿色化学理念，为复杂分子的经济、环保合成提供有力工具。

未来应用前景：该平台在药物合成、农用化学品和先进材料制备等领域具有广阔应用潜力，有望推动可持续生物与化学合成的进一步创新。

慕尼黑工业大学Ran Zhu为论文的第一作者，亥姆霍兹药物研究所与德累斯顿工业大学Tobias Gulder为通讯作者。Tobias A. M. Gulder教授于2014年加入慕尼黑工业大学并担任生物系统化学教授（W2），2019年成为德累斯顿工业大学技术生物化学主席（W3），并担任《天然产物报告》（Natural Product Reports）的主编。随后于2023年担任亥姆霍兹制药研究所（HIPS）的部门负责人。Tobias Gulder课题组在HIPS中致力于为有前景的天然产物开发创新合成策略。

课题组主页：https://www.helmholtz-hips.de/de/forschung/people/person/prof-dr-tobias-gulder/

文献详情：

Regioselective C-H Functionalization by the Combination of Enzymatic and Chemocatalytic Reactions in Water.

Ran Zhu, Xuhua Mo, Tanja Gulder, Tobias Alexander Marius Gulder*. 

Angew. Chem. Int. Ed. 2025

https://doi.org/10.1002/anie.202504378

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