C-N鍵廣泛存在于活性天然產物、藥物分子之中，構建C-N鍵也成了廣大化學工作者研究的重點方向。在諸多構建C-N鍵的方法中，對有機分子中最廣泛存在的C-H鍵進行胺化，無疑是最為直接、高效的方法之一。然而已有的C-H鍵胺化策略嚴重依賴于昂貴的過渡金屬，成本高且環境不友好，開發更為綠色的反應體系則顯得十分重要。美國加州理工學院的化學家Frances Arnold教授在此領域已經取得了一系列進展，她們開發了酶催化的分子內C-H鍵胺化反應（J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 15505-15508；Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 125, 9479-9482）。相比之下，分子間不對稱的C-H鍵胺化較分子內的反應難度更大，雖然已有一些銠、釕、錳金屬催化體系報道，然而迄今為止尚無廉價易得的催化劑能有效實現這一過程。而且，科學家也沒有發現有任何一種自然界中的酶可以催化這一反應。
近日，Frances Arnold教授再做突破，她領導的研究團隊通過定向進化方法發現了一種基于細胞色素P450單加氧酶（cytochrome P450 monooxygenase）的工程酶，這種包含鐵-血紅素輔基的工程酶可以高效催化分子間芐位不對稱C-H鍵胺化反應。該工作發表在近期的Nature Chemistry 上，Christopher Prier 和Ruijie Zhang 為共同第一作者。
Frances Arnold教授。圖片來源：California Institute of Technology
用酶來催化有機反應并不新鮮，Frances Arnold教授堪稱這一領域內的“女神”級人物。她課題組2016年一篇“酶法構建C-Si鍵”的Science 工作，讓不少人驚呼構建“硅基生命”終于成為可能（Science, 2016, 354, 1048-1051，點擊閱讀詳細），這一發現也入選了美國化學會C&EN 評選出的“2016年頂級科研成果”（點擊閱讀詳細）。
Arnold教授團隊之前研究分子內C-H鍵胺化反應的工作，所用的是細胞色素P450單加氧酶的突變體——Arnold教授稱其為細胞色素P411。很自然地，Arnold教授團隊設想這些細胞色素P411或許可以用于催化分子間C-H鍵胺化（下圖）：首先細胞色素P411的血紅素輔基被還原為形成二價鐵狀態1，此后1與TsN3反應形成鐵nitrenoid中間體2，2與烷基底物3反應形成C-H鍵胺化的產物4并重生催化劑1。根據以往的經驗，反應中可能存在競爭過程，中間體2會發生降解形成磺酰胺副產物5。以往工作已經證明，細胞色素P411能夠高效催化分子內C-H鍵胺化反應，原因是在分子內反應中，參與反應的C-H鍵與形成的nitrenoid中間體2距離較近，一定程度上有利于反應進行。然而，在分子間C-H鍵胺化反應中，底物與nitrenoid中間體2距離較遠。因此為了保證C-H鍵胺化反應順利進行，nitrenoid中間體2需具有非常高的反應活性，使得分子間C-H鍵胺化反應的速率高于中間體降解的速率。
細胞色素P411催化分子間不對稱C-H胺化的設想機理。圖片來源：Nature Chem.
不過，實際實驗結果卻不讓人滿意，幾乎所有已知的細胞色素P411——包括那些對分子內C-H鍵胺化及分子內氮雜環丙烷化反應具有很高催化活性的工程酶，對分子間C-H鍵胺化都沒有任何催化活性，只是生成了相應的磺酰胺副產物。不過事無絕對，她們發現原本設計用于酰亞胺化反應的一種P411突變體——P411BM3 P-4具有微弱的活性，收率11%，e.e. 值14%。隨后她們針對P-4進行了定向進化，經過系統的篩選終于發現一種突變體P411CHA（cytochrome P411 C-H aminase）具有最好的催化活性和選擇性（下圖）。
工程酶的定向進化。圖片來源：Nature Chem.
后續的研究中，作者發現P411CHA催化分子間不對稱C-H鍵胺化反應的TON（turnover number）可高達1300，遠遠高于過渡金屬催化分子間不對稱C-H鍵胺化反應的催化效率（目前報道的最高TON為85）。她們隨后對P411CHA催化反應進行了進一步的優化，得到最優條件，反應在水中、室溫條件下進行，胺化產物4的收率高達86%，對映選擇性很好（e.e. > 99%），TON為670
接下來是底物適用性研究。下圖中已列出大部分可以反應的底物，可以看出，目前該體系具有較大的底物局限性，吸電基團取代的底物產率很低。然而該體系也具有一定的優勢，例如產物對映選擇性高、TON高等。
反應對底物的電性非常敏感（富電子底物產率較高），表明該反應中C-H鍵插入為決速步，氘代實驗（下圖a，KH/KD = 1.6）進一步驗證了這一結論。富電子底物反應產率高有兩種可能的原因：（1）相應的酶催化劑具有高C-H鍵胺化催化活性；（2）相應的酶催化劑一定程度上抑制了nitrenoid中間體降解的副反應。
通過對P411CHA酶結構的研究（上圖b），她們發現P411CHA具有高效催化活性的原因在于酶較好地調節了活性氮物種與烷烴底物的交互作用，P411CHA具有合適的血紅素遠端口袋體積，底物通過范德華力與A87、L263、E267和V328等相結合，使得C-H鍵與氮賓距離較近，從而使分子間C-H鍵胺化反應得以高效進行。
——總結——
Frances Arnold教授課題組發現一種包含鐵-血紅素輔基的工程酶——細胞色素P411CHA對分子間芐位不對稱C-H鍵胺化反應具有高度的催化活性。盡管底物適用范圍有限，但反應具有非常明顯的優點，即產物的對映選擇性高、TON高。另外，這種工程酶還有望用于更多目前化學催化不能實現的C-H鍵官能團化反應。通過對現有酶催化劑進行改進，人們有望解決一些傳統合成化學的難題，甚至挑戰目前化學催化無法實現的化學轉化。
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