卡宾重排反应～将烧瓶里的反应转移到生物体内～

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卡宾重排反应～将烧瓶里的反应转移到生物体内～

译自Chem-Station网站日本版原文链接：カルベン転移反応～フラスコ内での反応を生体内へ～

翻译：炸鸡

在大学学习了有机化学的同学们，毫不夸张的说几乎所有人都从教科书上学习过学过卡宾这个特殊的化合物。本篇记事将简要介绍下卡宾，以及介绍关于利用卡宾近期开展的研究，研究包括但不限于使用卡宾的反应，生物催化剂催化的卡宾反应以及向生物体内导入卡宾反应。

卡宾是什么

卡宾是指有6个价电子数，不带电的含碳原子的化合物。限于本篇的篇幅，这里就不赘述卡宾的化学性质了，总而言之卡宾的电子架构情况为sp²杂化轨道上有2个电子或sp²杂化轨道和p轨道上各有一个电子(图1)。你可以理解成带有两个自由基的化合物。众所周知，带有一个自由基的化合物反应性很高，那么带有两个自由基的卡宾的反应性将会更高。

图1:卡宾的电子架构

卡宾反应

卡宾因为其反应性很高，所以能引发各种各样的反应。例如对碳氢键，氮氢键的插入以及生成环丙烷等反应。特别是帮助生成环丙烷这个反应经常登上有机化学教科书(图2)。以下本文将这种环丙烷生成反应称为卡宾重排反应。

图2:卡宾和烯烃反应生成环丙烷

但是上图的卡宾重排反应存在一个缺点——反应结束后会得到非对映异构体混合物。为什么会这样呢？要从反应机理理解:卡宾的一个电子先和烯烃反应形成一个C-C键。图3中的紫色箭头表明了另一个C-C键可以自由旋转，所以诞生了两种中间体，也就生成了非对映异构体混合物。尽管图3仅仅表明了两种非对映异构体混合物，但试想一下如果卡宾上的两个取代基不同的话，那么就会产生四种非对映异构体混合物。

图3:卡宾重排反应里生成的非对映异构体

除了生成多种非对映异构体的缺点外，卡宾重排反应还有其他副反应如卡宾之间的相互反应(图4) 。为了提高非对映异构体的选择性和减少副反应，一直以来科学家都在研究如何优化卡宾的生成方法和催化剂的选择。

图4:卡宾之间互相反应产生的副反应

卡宾的生成方法

经典的卡宾合成方法是通过氯气和光的反应生成的。现在生成卡宾的方法变得多种多样，用的最频繁的是借助重氮化合物生成卡宾。重氮化合物在光照或热的条件下会释放出氮气并生成卡宾 (图5)，此外，羰基重氮化合物被用的最多，因为羰基叠氮有吸电子的羰基，羰基可以帮助稳定叠氮的电偶极矩。对如何利用卡宾而实现的反应有兴趣的读者可以移步这里。

图5: 通过羰基重氮化合物来生成卡宾

卡宾配合物

卡宾配合物是指一类有卡宾作为配体的有机金属配合物，其研究开始于1960年代。著名的卡宾配合物有Fischer卡宾卡宾配合物和Schrock卡宾配合物（图6）。这些配合物能够稳定非常活泼的卡宾，因此科学家们一直试图通过使用这类配合物来改善副反应和对映选择性。

图6: 卡宾配合物(来自参考文献1)

其中，从1980年左右开始，使用金属卟啉配合物的卡宾重排反应逐渐被开发出来（图7）。最初的报道是以铑作为卟啉金属中心的金属配合物，通过使用这些配合物，能够得到当时具有最高非对映选择性的重排产物。

图7A：1982年报道的铑-卟啉配合物的卡宾配合物（引用自参考文献2），B：1992年报道的使用铑-卟啉配合物进行的卡宾重排反应的成果（引用自参考文献3）。

随后在1995年，使用铁-卟啉配合物的卡宾重排反应被报道（图8）。该反应的结果显示出比已有的金属-卟啉配合物催化的重排反应具有更高的非对映选择性。

图8:铁-卟啉配合物催化的卡宾重排反应(来自参考文献4)

生物催化的卡宾重排反应的应用

当听到铁-卟啉配合物时，或许有人会联想到P450或细胞色素b等生物酶催化剂。这些生物酶催化剂在酶的活性口袋中拥有铁-卟啉配合物的结合位点，并通过使用这种配合物引发羟基化等各种反应。继上述1995年的报道之后，在2013年，凭借蛋白质的定向进化荣获诺贝尔奖的Frances H. Arnold等人报道了在体外（in vitro）利用P450进行的卡宾重排反应。在该报道中，通过对P450的氨基酸进行突变改造，成功制备了非对映选择性超过90%的P450，进一步的突变还可以控制非对映选择性（图9）。以此报道为开端，Arnold以及过渡金属配合物领域的权威人物John F. Hartwig等人推动了使用生物催化剂进行卡宾重排反应的研究发展。

图9：体外（in vitro）P450进行的卡宾转移反应。BM3指的是P450的名称，后面的缩写表示各个P450突变体的名称（来自自参考文献5）。

在生物体内实现卡宾重排反应

由于体外（in vitro）试验已经证明了P450可以催化卡宾重排反应，那么在体内P450可不可以催化卡宾重排反应呢？对此，前文提到的Hartwig以及合成生物学领域的权威Jay D. Keasling等人开展了这项研究。在2021年，两人对含有能够催化卡宾重排反应的P450的放线菌，从放线菌体外添加重氮羰基化合物，成功实现了在体内进行卡宾重排反应₆。此外，到2023年，两人选择了天然重氮羰基化合物azaserine作为卡宾生成源，并将与azaserine的生物合成相关的基因群（生物合成基因簇）、与含有能够与卡宾反应的烯烃的苯乙烯生物合成相关的基因，以及通过定向进化提升了对映选择性的P450共同表达于放线菌中。结果表明，在放线菌体内，通过利用卡宾重排反应，从一次代谢物中成功获得了含有非天然环丙烷结构的对映异构体化合物（图10）。这一研究与已有的研究不同之处在于无需添加原料，也无需纯化酶。此外，作为合成生物学的特点之一，放线菌一旦制备成功，通过大规模培养可以随时大量获取目标化合物。

图 10:利用合成生物学的手段，在生物体内实现卡宾重排反应(来自并改编自参考文献7，8)

结束语

被研究多年的卡宾重排反应被发现能够嵌入生物内，这一研究成果具有重大的意义。这一研究激励科学家们尝试通过生物催化剂将更多反应带入生物体内，并且原料来自一次代谢物，因此在成本方面也被认为具有显著优势。未来，各种有机反应在生物体内进行的可能性非常大。

同时，我们必须认识到这一重大的研究成果是站在在众多前人研究者对卡宾的研究成果的肩膀上。现在我们进行的研究会在数十年乃至数百年后为后人的研究提供怎样的助力呢？会有什么样的进展呢？敬请期待。

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