综述：酶催化多组分反应（MCRs）绿色合成生物活性杂环化合物

《Results in Chemistry》：Enzyme-Catalysed Multicomponent Reactions (MCRs) for the Green Synthesis of Bioactive Heterocycles-A Review

本综述系统评述了2020-2025年间酶催化多组分反应（MCRs）在绿色合成生物活性杂环领域的最新进展。文章重点阐述了酶（如脂肪酶、胰蛋白酶等）的催化混杂性（Enzyme Promiscuity）及其在构建吡啶、嘧啶、吲哚、喹啉等多种杂环骨架（Heterocyclic Scaffolds）中的优势，包括高选择性、条件温和、符合绿色化学原则（原子经济性、低E因子等），为可持续药物开发和绿色有机合成提供了前沿视角和有力工具。

　　

酶催化多组分反应（MCRs）作为一种强大的合成策略，完美契合了绿色化学的原则，通过最小化废物产生、减少溶剂使用、缩短反应时间和避免危险试剂，为合成化学提供了可持续的路径。酶，凭借其卓越的选择性、催化效率和在温和条件下发挥作用的能力，已成为促进一锅多组分转化的强大生物催化剂。尤为重要的是，酶促混杂性——即酶催化非天然反应的现象——极大地扩展了其在合成转化中的应用范围。

酶催化多组分反应（MCRs）的优势与进展

与传统化学催化剂相比，酶催化MCRs具有显著优势。它们通常在温和、环境友好的条件下（常在水相介质中）进行，提供高的化学、区域和立体选择性，减少副产物的形成，并最大限度地降低能耗。这与传统MCRs常依赖苛刻条件、过渡金属或镧系金属催化剂，可能导致环境问题形成鲜明对比。酶可以作为分离酶或辅酶，以纯化形式或在全细胞系统中使用。早期Klibanov的开创性研究发现，酶在近乎无水的有机溶剂中不仅能保持活性，甚至可能增强，这一发现彻底改变了酶催化领域，揭示了酶在合适溶剂条件下可以促进非天然化学转化。

吡啶和嘧啶衍生物的合成

含吡啶和嘧啶的杂环化合物展现出广泛的药理和生物活性。例如，Xie等人（2020年）开发了一种利用微波反应器，由α-糜蛋白酶（α-Chymotrypsin）作为混杂酶催化芳香醛、尿素或硫脲与β-酮酯反应，高效一锅法构建3,4-二氢嘧啶-2(1H)-酮（DHPMs）的方法，最高产率达96%。Yu等人（2020年）则描述了利用胰蛋白酶（Trypsin）作为多功能生物催化剂，开发了一种混杂酶串联反应，用于制备嘧啶并苯并噻唑类化合物。次年，该团队又创新性地将酶催化与光催化结合，实现了可见光照射下芳基甲醇氧化后与乙酰乙酸乙酯和2-氨基苯并噻唑在胰蛋白酶作用下高效合成嘧啶并苯并噻唑衍生物，产率高达92%。此外，β-环糊精（β-Cyclodextrin）作为一种绿色自组装催化剂，也被成功用于合成2-氨基-4,6-二苯基烟腈和二氢喹唑啉-4-酮。Chidambaram等人（2021年）利用Cu(II)-酪氨酸酶（Cu(II)-Tyrosinase）在室温下通过研磨法一锅合成了2-嘧啶胺支架，所得化合物显示出有希望的杀幼虫和拒食活性。

呫吨衍生物的合成

呫吨衍生物在荧光材料、染料、pH传感器以及激光技术等领域有广泛应用，并表现出抗病毒、抗菌和抗炎等药理活性。Alsalhi等人（2025年）首次制备了新型锆-维生素B₃金属有机框架（Zr/VitB₃ MOF），作为高效、环境友好的非均相催化剂，在无溶剂条件下催化芳香醛与达米酮缩合，以90-98%的优异产率得到四氢呫吨二酮衍生物。Al-Wasidi等人（2024年）通过绿色水热法合成了铜-维生素B₃ MOF（Cu–Vit B₃ MOF），用于一锅法合成新型呫吨酮骨架，产率达80-92%。Chavan等人（2021年）则首次使用面包酵母（Baker’s Yeast）作为生物催化剂，在水介质中室温下高效合成了呫吨衍生物，产率在79%至90%之间，体现了该方法的简单、温和及环境相容性。

吲哚衍生物的合成

吲哚结构单元是众多药理活性天然和合成化合物的基本骨架。Kausar等人（2025年）开发了一种简单有效的生物催化方法，通过面包酵母催化的Aza-Friedel–Crafts反应，在乙醇中一锅法合成3-吲?基甲胺衍生物。Tang等人（2023年）报道了一种新型脂肪酶（Lipase）催化的一锅串联反应，在水相温和条件下，由靛红（Isatins）、环酮和丙二腈高效合成螺氧吲哚（Spirooxindole）衍生物，产率67-92%。Kaur等人（2024年）开发了一种双功能纳米生物杂化催化剂，将钯纳米粒子（PdNPs）和α-淀粉酶（α-Amylase）共固定于埃洛石纳米管上，用于一锅化学酶法过程，结合Pd催化的Suzuki–Miyaura偶联和α-淀粉酶催化的Aza-Michael加成，构建了功能化联苯和双吲哚基甲烷（bis(indolyl)methanes）衍生物。

喹啉衍生物的合成

喹啉类化合物在抗菌、抗结核、抗疟、抗癌等方面显示出巨大潜力。Dutt等人（2021年）报道了一种绿色高效的方法，通过米曲霉α-淀粉酶（Aspergillus oryzae α-Amylase）催化2-氨基苯甲醛与α,β-不饱和羰基化合物的多米诺序列（包括Aza-Michael加成、Aldol缩合和芳构化）合成取代喹啉，产率56-86%。Barna等人（2022年）则报道了一种一锅两步化学酶法策略，利用单胺氧化酶（Monoamine Oxidase, MAO）催化四氢异喹啉的亚胺形成，随后不经分离中间体，直接进行Joullie三组分反应（Ju-3CR），生成多样的N-酰化四氢异喹啉甲酰胺。

苯并噻唑衍生物的合成

苯并噻唑及其化合物具有肝保护、抗炎、抗菌、抗癌等多种生物活性。Yang等人（2021年）开发了一种结合酶催化和可见光照射的绿色高效方法，通过胰蛋白酶和光诱导氧化的接力催化策略，由2-氨基苯硫酚与各种醛快速合成2-取代苯并噻唑，产率64-99%。Shaikh等人（2021年）使用猪胰脂肪酶（Porcine Pancreas Lipase, PPL）作为生物催化剂，通过2-氨基噻唑、各种醛和2-萘酚的多组分反应，以89-95%的优异产率制备了一系列芳基-(噻唑-2-基氨基)-甲基]-萘-2-醇衍生物，这些化合物在体外表现出有希望的抗胆碱酯酶活性。

有机膦酸酯和曼尼希碱衍生物的合成

有机磷化合物，特别是α-氨基膦酸酯，因其与α-氨基酸的结构相似性而具有重要的药理学意义。Samsonowicz-Górski等人（2022年）报道了一种新颖的生物催化策略，通过Candida cylindracea脂肪酶（CcL）催化的Knoevenagel–phospha–Michael反应，一锅合成具有药学意义的β-膦酰基丙二腈衍生物，产率43-93%。Keri等人（2025年）开发了基于铜(II)-β-环糊精（Cu(II)-β-CD）的环境友好催化剂，用于催化醛、胺和亚磷酸二乙酯的一锅多组分Kabachnik–Fields反应，以77-95%的产率得到α-氨基膦酸酯，且催化剂可回收使用。曼尼希反应是构建碳-碳键的重要方法。Loganathan等人（2024年）采用研磨法，在Cu(II)-酪氨酸酶催化下，通过肉桂醛、吡唑烷-3,5-二酮和各种胺的一锅反应，绿色合成了吡唑烷-3,5-二酮衍生物，产率84-96%，并重点评估了其杀幼虫活性。Kosctiuk等人（2024年）则研究了游离和固定在钛酸盐纳米管（NtsTi）上的胰蛋白酶和α-糜蛋白酶在催化环己酮、苯甲醛和苯胺的3-CR合成2-[苯基(苯氨基)甲基]环己酮中的表现，展示了优异的非对映选择性和催化剂可回收性。

其他重要杂环的合成

此外，酶催化MCRs在合成其他重要杂环如吡唑、酞嗪、异恶唑、二氮杂?、苯并恶嗪、三唑、吡咯烷、恶二唑、吡喃和呋喃等衍生物方面也取得了显著进展。例如，Rangraz等人（2024年）使用固定在MOF-5/IRMOF-3复合材料上的Thermomyces lanuginosus脂肪酶（TLL@MMI）高效催化合成了1,3,5-三取代吡唑衍生物。Dalal等人（2022年）报道了首个脂肪酶催化的绿色一锅法合成吡唑并酞嗪二酮。Kapale等人（2023年）在水相室温下利用脂肪酶一锅法高效合成了异恶唑-5(4H)-酮衍生物。Madhuri等人（2024年）使用廉价的β-环糊精作为相转移催化剂，通过点击化学合成了新型螺色满酮连接的1,2,3-三唑。Paul等人（2023年）利用β-环糊精作为可生物降解的超分子有机催化剂，在水-乙醇介质中一锅法合成了功能化吡咯烷酮衍生物。Jadhav等人（2022年）在超声辐射下，以β-环糊精为可重复使用的超分子催化剂，在水介质中一锅法高效合成了2-氨基-4H-吡喃喹啉衍生物。Fu等人（2020年）使用固定在硅胶上的Thermomyces lanuginosus脂肪酶（TLIM）作为高效、可商购、可重复使用的催化剂，用于Knoevenagel–Michael串联反应，合成具有生物意义的色烯和吡喃衍生物。Zeng等人（2020年）则报道了利用三丁基膦和固定化脂肪酶Novozym 435的协同催化体系，高效合成了四取代呋喃衍生物。

挑战与未来展望

尽管酶催化MCRs前景广阔，但仍面临一些挑战，包括酶在非生理条件下的稳定性、底物特异性限制、生产成本、与合成试剂的兼容性、机理理解的缺乏以及工业放大的困难等。未来发展方向包括酶工程与定向进化、极端酶的应用、酶与金属/有机/光催化剂的杂化催化、先进的固定化技术、计算模型辅助的理性设计，以及用于药物发现的生物催化MCR平台库的构建。多酶级联反应和化学酶法杂化MCRs的整合代表了一个令人兴奋的前沿领域。

结论

酶催化一锅MCRs在追求可持续和环境友好合成方法方面取得了显著进展。酶的高选择性、操作简单性和在温和条件下的催化效率使其成为符合绿色化学原则的MCRs的理想催化剂。酶催化混杂性进一步拓宽了其合成应用范围。这些系统为传统的化学催化剂提供了有效的绿色替代方案。酶有望成为有机合成中一个有前景的绿色催化介质和可持续平台，为制药、农用化学品和精细化学品工业中复杂分子的绿色高效合成开辟新途径。随着酶工程、固定化技术和反应设计理念的不断进步，酶催化MCRs必将在未来绿色合成化学中扮演越来越重要的角色。