ChemCatChem综述：化学催化剂和生物催化剂的混合催化 克莱蒙奥弗涅大学Christine Guérard-Hélaine
概括
长期以来，催化和生物催化似乎处于竞争状态，它们固有的差异使得大多数开发的混合催化过程都是连续的。先前的研究表明，以并行模式结合催化剂和生物催化剂是可行的。本综述的目的是说明如何利用有机和无机化学、化学和生物催化等多学科领域来协调许多具有相反参数的催化剂。通过对遇到的困难进行分类，有机化学家可以快速找到克服困难的方法，从而创建一个开发新工艺和创新工艺的工具箱。
1. 背景
多年来，化学合成一直在寻求新的解决方案，以在级联反应领域提供高性能和环保的路线。混合催化在这一转变中起着关键作用，因为它旨在利用仅有的两个领域的优势，即化学催化剂在各种底物上的稳健性和多功能性，以及生物催化剂的高立体、区域和化学选择性。
然而，这并不是一个简单的组合，化学催化剂可以在很宽的溶剂、温度和 pH 值范围内发挥作用，而酶通常仅限于水性介质、环境温度和中性 pH 值。直到最近 15 年，才出现了大量混合催化的例子。为了防止化学催化剂和酶之间的干扰，一种选择是避免一锅法，而将其置于流动化学相关系统中。在同一容器中连续反应涉及以并发模式运行反应，其中所有成分（催化剂、溶剂、试剂等）都从一开始就添加，实验条件始终保持不变。本综述将仅讨论以批处理和真正并发模式运行的系统，因为许多有害的相互作用可能会由于不兼容的溶剂、试剂、催化剂本身或实验条件（pH 或温度）而阻止这两种类型的催化剂一起工作。 本文的目的是强调化学家必须运用的聪明才智，以使上述各种参数在一锅化学反应的级联过程中以并发模式兼容。
2.溶剂不相容性
将同一种溶剂与化学和生物催化剂结合使用是一个反复出现的问题。生物催化剂通常适合在水中工作，而化学催化剂则更适合在有机溶剂中工作。溶剂不相容性已通过三种不同的策略得到解决：双相系统的设置、深共熔溶剂 (DES) 或超临界 CO2 (sCO2) 溶剂。
2.1 双相体系
大多数情况下，试剂或中间体在酶促反应的水介质中溶解性较差，也可能对生物催化剂产生毒性作用。一种解决方案是使用具有不混溶液相的双相水/溶剂系统，确保生物催化剂和有机化学品之间的接触最少。在异辛烷和缓冲水的混合物中，第一步是在异辛烷中实现的，其中存在几种烯烃的动态平衡，随后发生环氧化。这项工作还成功扩展到另一种底物 6，得到预期产物 7（方案 1）。
方案 1. 使用异辛烷和缓冲水的混合物作为溶剂进行复分解和环氧化
异辛烷/磷酸钾缓冲液也解决了吡咯合成中催化剂的氧化酶抑制问题。当在水中使用各种共溶剂（DMF、丙酮、DMSO、DCM）时，只有闭环复分解的第一步成功，但第二步（即通过单氨基氧化酶 (MAO) 芳构化为吡咯衍生物）失败。这是因为复分解反应中涉及几个 [2+2] 环加成反应（方案 2A、3）。双相系统能够将有机相中的均相催化剂与缓冲液中的酶分离，从而制备出十种吡咯衍生物 8–17，产率为 5–84%。
图 2. 使用异辛烷和缓冲液作为溶剂的复分解-芳构化级联
图式3. 复分解反应机理
我们将这一概念扩展到通过漆酶/TEMPO 催化芳构化步骤进行各种呋喃衍生物的化学酶合成，使用异辛烷代替 MTBE，成功地进行了级联反应，以 28-76% 的产率生成呋喃 18-23（方案 2B）。
最近还提出了平行模式的混合催化，即将金杂环卡宾 (NHC) 催化的炔烃水合与负责在由水和甲基-THF 组成的双相介质中还原酮的脱氢酶结合。一系列芳基或烷基醇 24–33 的产率为 65%–86%，两种对映体均具有显著的对映选择性（方案 4）。
方案 4. 水/乙醚双相体系中的化学催化水合和酶还原
然而，双相体系不能作为并发模式下混合催化的通用解决方案，因为脆弱的酶可能会被与水介质界面处的有机溶剂灭活。此外，由于物质从一个相移动到另一个相需要时间，因此非均相介质在动力学上仍然不利。
2.2 深共熔溶剂
在过去的二十年中，离子液体受到了特别的关注。然而，由于其降解性差且成本高，深共熔溶剂（DES）最近成为必不可少的替代品。它们很容易通过混合弱氢键供体与弱氢键受体来制备，通过分子间氢键网络在室温下形成液体。它们无毒、不易燃、不挥发，有时甚至可生物降解。因此，各种酶已成功地在这种非常规溶剂中转化了各种底物。
2014年de Maria研究组发表了DES中并行模式混合催化的第一个例子，以脂肪酶催化乙酸乙烯酯原位生成乙醛，然后在有机催化剂催化下直接与各种芳烃或烯醛作为亲电试剂发生高选择性的醇醛缩合反应，在由氯化胆碱和甘油组成的低共熔溶剂（DES）中合成相应的羟基醛34-41，产率为1%-70%（方案5）。
方案 5. 使用 DES 实现酯交换反应，然后进行醇醛缩合
随后González-Sabín研究组提出了一种级联反应，在Ru络合物催化剂的催化下，各种烯丙基醇双键异构化为相应的酮，然后在酮还原酶（KRED）的作用下，羰基部分被对映选择性还原生成醇。增加DES的比例可以提高KRED的对映选择性，使醇中的对映体过量达到99%，四种底物42-45的转化率为68%-96%（方案6）。
方案 6. 氯化胆碱/甘油/磷酸盐缓冲液作为溶剂用于优化异构化还原级联
催化剂和生物催化剂通用溶剂的最后可能性是利用超临界 CO2 (sCO2) 溶剂，这是一种环保、廉价、无毒、惰性且不易燃的流体。在一锅反应中同时结合酶和催化剂可以在 sCO2 中形成嵌段共聚物，这一过程只有在使用己内酯作为底物和共溶剂时才可行（方案 7）。
方案 7. 使用 sCO2 作为共溶剂和底物制备共聚物嵌段
3. pH值引起的不相容性
许多化学催化剂需要更严格的条件，包括酸性 pH（pH 低于 3）。化学催化剂 N-杂环 (NHC) 金复合物与最佳 pH 为 8 的酶结合，成功地将炔烃水合为酮，并与果糖-6-磷酸醛缩酶 (FSA) 混合，将酮转化为手性醇醛。通过引入由纤维素制成的膜将细胞与催化剂分离，并将含有 FSA 的细胞捕获在粘土状材料中，最终单糖产量为 70%（方案 8A）。这种方法可以扩展到其他具有酸性 pH 的系统，例如通过酸催化脱保护缩醛原位生成醛，缩醛在随后的醇醛缩合反应中用作 FSA 的底物。 获得了 98% 产率的高附加值醇醛（具有两个可控立体化学的不对称中心），证明了在酸性 pH 下进行生物催化步骤的概念（方案 8B）。
方案 8. 催化剂和生物催化剂的分隔以实现温度和 pH 兼容性
4. 温度引起的不相容性
确定温度等实验条件以确保催化剂和生物催化剂在同一容器中兼容是一项挑战，一种选择可能是为一种催化剂选择理想的温度，同时为另一种催化剂实施保护措施。另一种可能性是设计每种催化剂，使它们可以在共同的温度下运行。这是通过一个过程实现的，该过程包括由 N-杂环卡宾金 (I) 复合物催化的 Meyer 重排和由脱氢酶催化的生物还原步骤（方案 9）。
图 9. 催化剂设计使其与反应温度兼容
5. 催化剂之间不利的相互作用导致不相容性
混合催化通常涉及一侧具有独特氨基酸残基模式的酶，另一侧通常具有可与组氨酸或半胱氨酸侧链结合的过渡金属离子（如 Cu2+、Ni2+、Zn2+）。过渡金属和酶活性位点之间的这些潜在相互作用应予以考虑，为了解决这些潜在的限制，化学和生物催化剂的物理分区已成为并发模式混合催化的有效策略。
5.1 薄膜
聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 膜具有疏水性，可渗透小有机分子，而带电试剂通常无法接近这些分子。PDMS 膜用于将苯乙烯一锅式对映选择性化学酶促转化为 1-苯基乙醇。级联反应基于 PdCl2/CuCl 催化的 -Tsuji 氧化，然后由醇脱氢酶生物催化的酶促还原。PDMS 膜可防止 Cu2+ 盐对酶的抑制，而苯乙酮可在浓度梯度的驱动下流过疏水膜（方案 10）。
方案 10. 瓦克氧化后进行酶还原，使用膜分离催化剂
还建立了一个分区装置，使用由 PDMS 膜隔开的双室玻璃反应器，通过化学-酶促级联过程合成手性醇（方案 11）。采用 -Srogl (LS) 偶联反应，包括铜介导的钯催化的硫酯与硼酸的 CC 交叉偶联以产生酮，然后通过醇脱氢酶 (ADH) 获得光学纯醇。通过采用仿生分区方法，以 47%-99% 的产率获得了各种所需的手性二级醇 61-66，具有高对映选择性（99% ee）。
方案 11. 用于偶联反应和生物催化对映选择性还原的室式反应器
5.2 生物系统
蛋白质可作为有机金属催化剂和金属酶的通用宿主支架。V. Kölher 等人通过将生物素化的有机金属转移氢化催化剂 [Cp*Ir(biotp-L)Cl] 结合在链霉亲和素支架的一侧，实现了高效的并发氧化还原正交级联。所得结构用作人工转移氢化酶 ()，使用甲酸盐作为氢化物源。后来，该技术被扩展到使用 L-氨基酸氧化酶 (LAAO) 从 L-赖氨酸合成哌可酸（方案 12）。
方案 12. 涉及人工酶的并发级联反应
5.3 无机多孔结构
多年来，将化学和生物催化剂限制在多孔无机结构中一直受到人们的关注，这种关注不仅限于催化剂回收，还包括保护免受物理化学限制（尤其是 pH 和温度）。如今，这种多孔结构正成为混合催化中分离的有效屏障。3D 介孔结构 (3D-MS) 是分离有机金属催化剂和酶的有希望的候选材料。由于孔径小于酶的孔径，3D-MS 可以作为有效的物理屏障，防止催化剂和酶之间的交叉相互作用，甚至可以作为有机金属复合物或纳米颗粒催化剂的宿主结构。介孔二氧化硅基空心壳 (MS-HS) 被用于分离化学-酶系统，实现一锅同时水合/胺化对映选择性级联反应，从相应的炔丙基醚合成一系列手性胺（方案 13）。
方案 13. 包覆和水合/胺化级联反应
将金属配合物封装在大分子结构中是一种适合化学-酶催化的策略，它具有多种优势：提高反应速率、精细调节化学和区域选择性、活性配合物在水等介质中的兼容性以及区室化以防止与酶直接发生有害相互作用。并行模式的一锅式混合催化只有一个示例，即封装有机金属配合物的超分子配位支架，其中金配合物 [+] 嵌入四面体 Ga4L6 中并与水解酶结合，发生串联反应，即酶水解成相应的醇，然后由金配合物催化环化反应。该过程也可用于合成异恶唑烷（方案 14A-B）。 最后，作者还证明了其在异构化-还原串联反应中的适用性，其中封装在Ga4L6中的Ru催化剂负责1-丙烯醇的异构化，其可与具有FDH再生NADPH系统的醇脱氢酶偶联（方案14C）。
方案 14. 封装金属复合物和酶催化的反应
六，结论
本文重点介绍了在单一环境中整合化学和生物催化剂的挑战，因为这两种催化剂本质上是在不同的条件下运行的。由于反应参数的变化，顺序模式的混合催化已被证明是最简单的答案。
避免反应级联中中间体的积累有许多优点，包括降低它们的毒性或对催化剂的抑制，而且还允许改变平衡以获得更好的产量，同时降低纯化潜在中间体或将反应介质转移到其他容器的可能成本，这种可能性通过并发模式混合催化可以实现。
所有的试剂和催化剂从一开始就被加入到同一个容器中，无需进一步干预，直到级联完成。这更难实现，但更高效，因此也更有吸引力，而且已经设计出创新的解决方案，从使用新型溶剂或双相系统到巧妙的策略来保护催化剂免受反应混合物中多种试剂或其对应物的影响。本综述的目的是为对混合催化感兴趣的化学家提供快速有效的解决方案，以解决并发模式下反应级联过程中遇到的不兼容性问题。
论文相关信息
作者信息及链接：
盖拉德-埃莱娜:
研究方向：利用酶制备生物活性手性化合物，实现一步一步级联反应，酶的固定化、区域化、混合催化，新型催化活性研究，酶的发现与工程。
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