硝基化合物作为一种关键的合成中间体，广泛存在于药物、炸药、农药和各种有机染料等重要的化合物中。“混合酸”法是工业上制备硝基化合物最成熟的方法之一，通过硫酸促使硝酸质子化，释放出高反应活性的硝酰阳离子NO₂⁺。然而，该方法在反应过程中会产生大量废酸和废水，对环境带来巨大挑战。尽管近年来在生产技术上取得了一定进展，但硝基化合物的工业制备仍然存在反应条件苛刻、选择性差以及环境污染严重等问题。相比传统的化学硝化，自然界中的一些生物体系可以在温和条件下实现芳香化合物的硝化。由于其潜在的高选择性和环境友好性，酶（生物）催化芳香化合物硝化技术已成为科学界高度关注的前沿领域。

近期，青岛能源所一碳生物技术研究中心发表硝化反应的生物催化策略评述，系统总结了目前可用的生物/酶法硝化技术，涵盖胺前体氧化、直接氧化硝化和非氧化硝化三大类。参与胺前体氧化的酶包括一种可以实现天门冬氨酸氧化硝化的黄素依赖单加氧酶CreE，以及自然界中少量存在的N-加氧酶，例如对氨基苯基-N-加氧酶(AurF)、α-N-二氯乙酰基对氨基苯基丝氨醇-N-加氧酶(CmlI)、氨基吡咯烷酮加氧酶(PrnD)和来自Kitasatospora azatica的RohS，它们可以将氨基化合物氧化为对应的硝基化合物。

细胞色素P450单氧化酶是公认的多功能生物氧化催化剂，迄今为止有少数天然P450酶被报道可以利用一氧化氮（NO）和氧气催化芳烃和烯烃的直接氧化硝化。例如，P450 TxtE在NO、O₂和NADPH的存在下，可催化L-色氨酸的吲哚基直接硝化为4-硝基-L-色氨酸，P450 RufO可催化酪氨酸生成区域选择性的硝化产物3-硝基-酪氨酸。最近，一种烯烃硝化P450 酶（Laj2）在Lajollamycin B的生物合成基因簇中被发现，它也可使用NO、O₂和NADPH来驱动硝化反应。受非血红素铁和α-ketoglutarate依赖性卤素酶催化的卤化机制的启发，Matthews报道了卤素酶SyrB2在亚硝酸盐存在下直接硝化L-2-aminobutyrate末端sp³碳原子的过程，为脂肪烃的酶法硝化提供了新策略。

过氧化物酶主要存在于细菌、真菌、植物和动物中，以过氧化氢或烷基过氧化物作为电子受体，可有效催化芳香化合物的硝化。例如，微粒体过氧化物酶8（MP8）、辣根过氧化物酶（HRP）、大豆过氧化物酶（SBP）以及木质素过氧化物酶。青岛能源所丛志奇研究团队在2023年报道了首例人工P450过氧化物酶，成功实现不饱和烃的直接硝化。与其他血红素过氧化物酶一样，经改造的P450过氧化物酶体系可广泛接受芳香类和苯乙烯类化合物作为底物，以中等至较高的反应活性生成硝化产物，这一研究首次将生物硝化底物拓展到烯烃化合物，展示了P450酶在开发实用硝化生物催化剂方面的巨大潜力。

卤醇脱卤酶（HHDHs）是目前发现唯一可实现非氧化性直接酶促硝化反应的生物酶，它可通过亚硝酸盐的亲核取代作用催化环氧化物的开环反应，从而生成直接硝化产物。2022年，在苯乙烯环氧化物的生物硝化过程中，一株通过N亲核开环制备手性β-硝基醇的新型卤醇脱卤酶HHDHamb被发现。通过研究这些硝化酶的范围和机理，作者旨在介绍生物催化硝化的最新技术水平，同时指出这一新兴领域当前面临的挑战，激发酶法硝化在可持续有机合成方面的创新，为化学家提供有价值的生物硝化指导。

该评述以“Biocatalytic strategies for nitration reactions”为题近日发表于美国化学会的杂志JACS Au。以上工作得到重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持。（文/图 王曦翎）

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacsau.4c00994

Wang Xiling, Aleotti Matteo, Hall Mélanie*, Cong Zhiqi*. Biocatalytic Strategies for Nitration Reactions. JACS Au 2024,10.1021/jacsau.4c00994