Nat. Commun. 不饱和脂肪酸到手性二级醇的“光”“生”组合催化策略

研究背景

不饱和脂肪酸是常见于农业废弃物中，是生物质可再生能源的重要组成部分。由于它结构的特异性，人们常常将其当做平台分子并进一步将其转化为附加值更高的生物柴油，表面活性剂和脂肪醇等。目前关于脂肪醇转化的催化体系已经有成百上千种，包括生物催化，光催化和热催化等。然而每一类催化体系都有其优势和不足，如何能够取长补短充分利用各种催化体系得到附加值更高产物是目前生物质转化领域面临的重要问题。基于此，来自荷兰代尔夫特理工大学、韩国梨花女子大学和奥地利格拉茨大学的联合研究团队将光催化与生物催化体系相结合，成功实现了不饱和脂肪酸到手性二级醇的一步催化转化。

图文导读

基于之前的研究背景，作者提出了两种“光”“生”结合的转化思路。如上图所示，第一种思路是首先利用脂肪酸水合酶将不饱和脂肪酸中的C=C双键水合转化成手性的二级醇，随后在光照条件下，利用小球藻中提取的脱羧酶将脂肪酸端位的羧基脱除并生成一分子的二氧化碳。第二种思路是首先利用从曲霉属真菌得到二醇合成酶将不饱和脂肪酸氧化成手性的二醇，随后利用同样的脱羧反应除去端位的羧基。

根据所提出的思路，作者对两种合成路线进行一一验证。如上图所示，在没有光照的条件下，不饱和脂肪酸仅仅发生第一步水和反应生成手性的一元醇。而当光照进行时，中间产物1b则迅速发生脱羧反应，得到高产率的产物1c。这一现象充分证明了这一合成路线的可行性。

紧接着作者按照这一合成路线对底物进行了扩展。结果表明当C=C双键在不饱和脂肪酸的9号位时，所得的手性二级醇产率较高。

考虑到不饱和脂肪酸多由甘油三脂转化得到，为了进一步提高这一催化体系的应用型，作者提出了一种双相催化体系的设想从而实现甘油三脂到手性二级醇的一锅法合成。由于甘油三脂的疏水性，它的水解反应可以发生在三油酰甘油酯溶液中，反应后生成的不饱和脂肪酸是水溶性的，因此立即转移到水相进行水合和脱羧反应。最后生成的手性二级醇又回到了油相，而反应的副产物甘油则留在了水相。

考虑到之前提出的催化体系反应时间太长，生产效率过低，作者进一步优化体系并发现将利用寡养单胞菌中提取的脂肪酸水合酶可以有效的提高反应效率。如上图所示，改进后的催化体系可以将反应时间从之前的17个小时缩短到不到2小时。

最后，作者对所提出的思路2进行了验证。如上图所示，经过对不同酶催化剂的筛选，最终作者选定了从构巢曲菌中得到的5,8二醇合成酶。这一催化体系同样可以实现不饱和脂肪酸到手性二级醇的一锅法转化。

总结

作者通过将光催化与生物催化相结合的方法，首次报道了不饱和脂肪酸到手性二级醇的一锅法转化策略。这一策略有效的结合了不同催化体系的特点，为以后生物质领域各种催化转化体系的有机结合开拓了新的思路。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-16099-7

Photobiocatalytic synthesis of chiral secondary fatty alcohols from renewable unsaturated fatty acids, Wuyuan Zhang, Jeong-Hoo Lee, Sabry H. H. Younes, Fabio Tonin, Peter-Leon Hagedoorn, Harald Pichler, Yoonjin Baeg, Jin-Byung Park, Robert Kourist & Frank Hollmann

Nature Communications volume 11, Article number: 2258 (2020)