【人物与科研】江南大学饶义剑课题组：尾孢菌素介导的光催化选择性氧化研究获新进展

导语

有机化合物的选择性氧化是有机合成中最基本的反应之一，也是化学工业中最关键的挑战之一。传统上，这些化学转化采用化学计量的金属试剂或氧化剂，如金属氧化物或过氧化物来实现。近年来，由于人们越来越关注环境问题，化学家们已经投入了大量精力来开发更清洁的合成策略，采用分子氧作为最经济、环保的终端氧化剂。但是三重基态氧分子反应活性低，并且难以活化。为了克服基态氧分子的这些缺点，化学家们通常在高温、高压的氧气氛围中，使用价格昂贵的贵金属催化剂，或多孔石墨烯/氮化碳复合材料来实现氧化反应。目前受光催化的不断发展及其在诸多领域中被广泛应用的影响，化学家们开发了很多金属光催化体系用于有机化合物的氧化，但贵金属的使用明显限制着它们的实际应用。因此，在温和条件下使用非金属的光催化剂来进行有机物的选择性光催化氧化具有重要的研究意义。近日，江南大学生物工程学院饶义剑教授课题组利用发酵工程方法获得的天然产物尾孢菌素作为一种新非金属的光催化剂，成功实现了一系列有机物的选择性氧化反应。相关成果在线发表于Green Chemistry（2019, DOI: 10.1039/C9GC02270H）。

饶义剑教授课题组简介

课题组自2016年成立以来，结合合成生物学、结构生物化学、发酵工程和有机合成等方法重点开展复杂天然产物（药物）的生物合成途径解析以及应用开发的研究，并取得了一系列进展，在Nat. Commun., PNAS, J. Am. Chem. Soc., Green Chem., PLos Biology, J. catalysis等国际一流期刊上发表了一系列原创性研究成果。课题组现有副教授1名，助理研究员1名，科研助理1名，博士后1名，研究生十余人。

饶义剑教授简介

饶义剑，江南大学生物工程学院教授，博士生导师，课题组长。2003年本科毕业于武汉工程大学。2003年至2006年在中科院福建物质结构研究所攻读硕士学位。2007年进入德国柏林自由大学，攻读博士学位。2011年加入德国马普生物化学研究所，从事博士后研究工作。2016年被江南大学聘为教授，并入选江苏省特聘教授和江苏省双创人才计划。

前沿科研成果

尾孢菌素介导的光催化选择性氧化

氧气在光照作用下可以转化为具有高反应性的物质，通常被称为活性氧（ROS），包括单线态氧（¹O₂）、过氧化物（O₂^2-）、超氧化物（•O₂^-）和羟基自由基（HO•）。这些ROS 可以成为多种有机转化中的活性物质，因此寻找或设计非金属光催化剂产生ROS 是选择性氧化有机化合物的关键步骤。事实上，大自然经过进化已经形成了各种氧气利用系统，这些系统通过自由基反应把氧分子转化为活性氧，并能够在室温或低于室温下自发地与许多有机化合物发生反应（生物学上称为autoxidation）。例如，植物病原真菌尾孢属物种产生的尾孢菌素（CP）（图1），一种天然的苝醌类色素（PQP），它在吸收太阳光后与分子氧反应，生成活性氧（ROS），作为一种“武器”侵染和破坏植物细胞，而获得自身生长繁殖需要的营养。为此，利用仿生的概念，课题组尝试尾孢菌素是否可以用作有效的“非金属”有机光催化剂活化氧气得到活性氧，在温和条件下实现苄基sp³ C-H 键选择性氧化成羰基、苄胺选择性氧化成醛以及硫醚选择性氧化成亚砜等经典反应。

图1.有机光催化剂尾孢菌素的介绍。（a）尾孢菌素在受到可见光激发后产生活性氧的过程；（b）尾孢菌素介导的光催化选择性氧化。

（来源：Green Chem.）

首先作者采用微生物发酵方法大量制备尾孢菌素，以克服尾孢菌素价格昂贵、制备困难的问题。经过发酵条件优化，获得高尾孢菌素（128.2 mg/L）的条件。之后作者分别以苯乙烷、苄胺和苯基苄基硫醚为模板底物，分别对三类反应进行了条件优化，发现在氧气氛围、室温、光照条件下这三类反应均在甲醇溶剂中有最高的反应活性和选择性，但是苄基sp³ C-H的氧化需要加入额外的KBr来活化。在最优条件下，苄基sp³ C-H键选择性氧化成羰基，苄胺选择性氧化成醛以及硫醚选择性氧化成亚砜。为了考察此方法的适用范围，作者分别考察了三类底物（图2-4）。作者发现这三类反应可以兼容一系列吸电子基团或给电子基团，并且反应过程中卤素原子也可以完好地保存，从而表明该反应具有良好的官能团兼容性。

图2. 尾孢菌素光催化sp³ C-H 键选择性氧化成羰基的范围研究。

（来源：Green Chem.）

图3. 尾孢菌素光催化苄胺选择性氧化成醛的范围研究。

（来源：Green Chem.）

图4. 尾孢菌素光催化硫醚选择性氧化成亚砜的范围研究。

（来源：Green Chem.）

最后，为了深入阐明该反应的机理，作者设计了多类对照实验。一方面根据自由基以及单线态氧捕捉实验，作者推测苄基sp³ C-H和苄胺的氧化经历的是自由基，即氧负离子的中间过程；而硫醚的氧化经历的是自由基以及单线态氧同时存在的过程。其中单电子转移途径通过电化学测出的氧化还原电势也可以得以证实。¹⁸O同位素标记实验证明了氧气确实参与反应中。综合以上所得结论，作者推测反应机理如图5所示：

图5. 反应机理。

（来源：Green Chem.）

综上，作者采用微生物发酵技术绿色、高效制备尾孢菌素，并将其开发成一种新型有机光催化剂，成功地应用于sp³ C-H、苄胺和硫醚的选择性氧化反应中。该反应条件温和、选择性高、效率高、为有机化合物的光催化氧化提供了一种绿色、环保、经济的新方法。

研究工作化学部分由博士后李佳完成，尾孢菌素的生物合成部分由硕士生包文豪，唐兆成和博士生郭保党共同完成，江南大学张艳副教授和饶义剑教授为本研究的共同通讯作者，研究工作得到了国家重点研发计划，中组部青年千人项目，江苏省特聘教授等项目资助。

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