酶对化学合成产生了重大影响。然而，与有机合成的大量产品相比，通过生物催化可以获得的化学产品的范围仍然有限。例如，偶氮氧基产品很少使用酶催化剂合成。

2024年9月27日，中国科学院张武元、盛翔，西安交通大学段培高共同通讯在Nature Communications 在线发表题为“Unspecific peroxygenase enabled formation of azoxy compounds”的研究论文，该研究提出了一种机制，其中过氧酶衍生的羟胺和亚硝基化合物自发(非酶)形成所需的偶氮氧产物。在偶氮化合物形成反应的未开发领域扩展了生物催化转化的反应性。

研究发现真菌非特异性过氧酶是一种很有前景的催化剂，用于以简单苯胺为起始原料合成偶氮氧产物。催化特性(高达48,450次周转和6.7 s-1的周转频率)和底物转化(高达99%的转化率和98%的化学选择性)突出了合成潜力。

含有氮-氮键的官能团(如N-N或N=N)在天然产物中很常见。这些分子的反应性和结构多样性在合成化学中具有重要意义。尽管在各种天然来源中发现了各种具有氮-氮键的化合物，但催化氮-氮键形成的酶仍未被充分探索。其中，含有偶氮氧基(N=N→O)的化合物已从不同的分类群中分离出来，包括植物、真菌和海绵，具有广泛的生物活性，如抗菌和细胞毒性作用。因此，现代有机化学也专注于为这些重要产品提供广泛的合成途径，这并不奇怪。偶氮化合物可以通过硝基或胺基底物的氧化还原反应合成。然而，传统的合成方法，如亚硝基苯的还原二聚化或苯胺的氧化，存在着依赖有害催化剂、选择性差和高环境影响等缺点，这些在当今的化学工业中越来越不受欢迎。

目前，只有少数酶被报道能催化偶氮氧化合物形成反应，限制了它们在有机合成中的应用。有趣的是，硝基前体的还原活化似乎是首选的合成策略。例如，烟酰胺辅因子依赖的硝基还原酶还原硝基苯底物，通常产生不完全还原和反应中间体的混合物。有研究证明了硝基还原酶/H2O2体系可以将硝基苯转化为相应的偶氮基衍生物。近年来，在阿奇霉素和O-阿奇霉素的生物合成中提出了氧化偶氮氧基形成步骤。关键酶(AzoC)被鉴定为非血红素二铁单加氧酶。据报道，类似的加氧酶(VlmB同源物)通过级联反应参与了瓦尼霉素的生物合成。然而，对AzoC和VlmB同源物的研究主要是酶学和生化性质的，重点是阐明生物合成途径和酶机制。

底物与活性位点残基之间的相互作用（图源自Nature Communications ）

对这些反应着迷的是想知道过氧酶是否会提供一种更简单、更强大、更有效的方法，最重要的是，一种可扩展的从简单胺前体获得偶氮化合物的方法。在过去的十年中，非特异性过氧酶(UPOs, EC 1.11.2.1)已成为一系列具有挑战性的反应的有前途的生物催化剂，包括选择性C-H键氧化功能化，环氧化和杂原子氧化(N-或S-氧化)。研究假设UPOs也可能作为N-加氧酶，产生羟胺和亚硝基中间体，用于自发的N-N键形成。这一策略不仅扩大了天然血红素依赖性酶的反应范围，而且增加了可用的酶工具箱，以应对偶氮化合物合成的持续挑战。

参考消息：https://www.nature.com/articles/s41467-024-52648-0