用于生态友好型有机合成的仿生和生物催化催化剂

钴胺素（B 12）在体内发挥不同的重要作用。大多数B 12依赖性酶分为三个主要亚家族：腺苷钴胺素依赖性异构酶，甲基钴胺素依赖性甲基转移酶和脱卤素酶。模仿这些乙12非酶促条件下酶的功能提供了其复杂的反应机理很好的理解。此外，生物灵感为绿色和环保的分子转化提供了催化设计的新方法。作为基于维生素B 12衍生物（包括七甲基喹啉高氯酸盐）的研究的一部分，我们描述了B 12的仿生和生物催化催化反应酶功能。根据相应的三个B 12酶亚家族对反应进行分类，重点是我们最近在电化学和光化学催化体系方面的发展。还描述了其他重要反应，重点是有机合成方面的激进参与反应。

关键词： 脱卤; 电解; 绿色化学; 七甲基钴酸盐; 甲基转移; 1,2-迁移; 光敏剂; 维生素B 12

1.简介

1-1。B 12的氧化还原和配位化学

钴胺素（B 12）是天然存在的钴配合物与在体内发挥各种重要作用的独特结构[1-5] 。在B 12中，钴中心由四个角鲨环的赤道吡咯和2,3-二甲基苯并咪唑作为下轴配体（图1a）[6-8]配位。具有上配体的钴胺素分别称为维生素B 12（氰化物基团），甲基钴胺素（甲基）和腺苷钴胺素（腺苷基团）。B 12中钴离子的氧化态范围从+1到+3。钴胺素的每种氧化态表现出完全不同的配体接受能力和反应性。Cob（III）alamins在生理pH下在均相溶液中强烈支持与2,3-二甲基苯并咪唑的6-配位（表示为碱基形式）。特别地，具有上烷基配体的cob（III）alamins非常令人感兴趣，因为它们与甲基钴胺素和腺苷钴胺（辅酶B 12）的结构相关性，其在B 12依赖性酶中充当有机金属辅助因子。烷基钴（III）alamins的光解（热分解）导致形成相应的烷基和具有均裂Co（III）-C键裂解的cob（II）alamin（图1b））。这种高不稳定性归因于相对弱的Co（III）-C键，例如其在辅酶B 12中的键离解能为30kcal / mol，在甲基钴胺素中为37kcal / mol的碱基形式[9]。Cob（II）alamin在生理pH下有利于均相溶液中的5-配位[10]。它是顺磁性的并且在轴向d z 2轨道中具有不成对的电子。它作为一种高效的“自由基捕获剂”，与烷基反应生成烷基钴（III）丙氨酸（图1b）。四配位穗轴（I）alamin在轴向d z 2轨道中具有成对电子，导致高亲核性，Pearson常数为14 [11]。它是略微碱性的，对于Co-H复合物，p K a低于1 [12]。“超亲核”穗轴（I）alamin存在于许多酶中，例如蛋氨酸合成酶，腺苷转移酶和还原性脱卤素酶。此外，在均相溶液中使用各种亲电子试剂如烷基卤化物[13]，乙烯基卤化物[14-16]，芳基卤化物[17,18]和环氧化物[19,20]研究了穗轴（I）丙氨酸的反应性。（图1b）。

1-2。仿生和生物启发B 12催化系统的设计

B的示意性的表示12的酶和酶系统涉及示于图2a。B 12的显着体内和体外特征总结如下：

1. B 12显示，与标准氢电极相比，具有氧化还原电位（碱基形式的Co（II）/ Co（I）对）的Co（I）物质具有-500mV的良好可接近性[21]，因为单阴离子corrin配体。

2. 通过可持续过程中的还原酶， B 12在活性中心被还原为Co（I）物种。

3. corrin环的部分π-共轭体系不易被自由基加成而不是卟啉。

4. B 12与许多蛋白质结合并充当模块。

5. B 12的不同化学功能被结合的apoenzymes利用。

理解B的机制12酶反应和B的角色12是从生物无机和有机金属化学，有机合成和催化剂的观点来看非常重要的。尽管进行了广泛的研究，再现乙12在体外酶反应在均匀的溶液已是困难的。

以B 12酶为灵感的可持续催化系统的构建是绿色化学必须解决的另一个重要问题。由于上述独特的氧化还原和配位化学，维生素B 12及其衍生物[22]在各种有机反应中被用作有效的均相催化剂[23-25]，尽管过量的化学还原剂通常用于活化B 12到Co（I）物种。除电催化系统外，文献中尚未报道能够活化B 12的绿色催化体系[26,27]。

为了实现B的功能仿真12点非酶促条件下的酶，我们的策略是通过结合B的功能性等价物来制造人工酶12和脱辅基酶的（图2b）。我们一直在研究疏水性B 12模型复合物的用途，例如七甲基钴酸盐高氯酸盐1，它具有酯基代替外围七酰胺部分[28,29]。1由Eschenmoser等人开发。作为维生素B 12 全合成的模型复合物[30]。的确，在晶体结构中，1保持了与天然B 12 相同的corrin框架[31]。我们将疏水性B 12衍生物与双层囊泡[32,33]，蛋白质[34]，有机聚合物[35-40]和金属有机骨架（MOF）结合起来[41]。此外，为了构建受B 12酶启发的绿色催化体系，我们将疏水性B 12衍生物与还原酶的功能等同物组合。在所得催化体系中，Co（I）物质是通过阴极[42,43]，半导体[44]或分子光敏剂[45]的电子转移产生的。到B 12。在这篇综述中，我们总结了具有B 12酶功能的仿生和生物启动催化反应，重点是我们最近在电化学和光化学系统方面的工作。

2. 1,2-功能组的迁移

使用自由基物种的酶是化学家的良好催化剂模型，因为它们在温和条件下有效地介导难以处理的有机反应[46-51]。在由B 12酶介导的一些催化中，腺苷基的高反应性被用于异构化。由apoenzymes提供的微环境以均裂方式激活和切割B 12辅酶B 12的Co（III）-C键以产生腺苷基[52,53]。在甲基丙二酰辅酶A变位酶（MMCM）中，从R-甲基丙二酰辅酶A向琥珀酰辅酶A的转化（方案1a）开始于腺苷基的氢提取。