卤化反应对于生产各种生物活性化合物、化学构建块和农用化学品具有极其重要的意义。特定的卤化，如碘化，对于放射治疗和生物成像应用试剂的合成也很重要。除了直接合成外，卤代化合物还可以用于交叉偶联反应以合成复杂分子。亲电卤化是一种有效的卤化类型，该反应需要形成通常由卤化盐（NaX）的氧化反应产生的卤化物质即次卤酸（HOX）。HOX具有反应性，可用于卤化富电子芳烃，而无需额外的催化剂。HOX的形成可以通过使用H₂O₂和金属催化剂实现。此外，卤代过氧化物酶（HPO）可以作为生物催化剂以更可持续的方式产生HOX。然而，所有这些反应都需要H₂O₂的连续进料，这可能由于副反应和安全问题而在大规模中存在问题。此外，高浓度的H₂O₂会降低生物催化剂的稳定性。因此，能够原位产生H₂O₂和HOX的生物催化剂是绿色卤化所亟需的。

图片来源：Angew. Chem Int. Ed.

酶促亲电卤化是一种温和的工具，用于各种有机化合物的官能团化。目前，只有少数几组天然的卤化酶能够催化这种反应。其中，黄素依赖性卤化酶（FDH）为氧化卤化提供了一种更环保的途径。FDH通常是一种双组分黄素依赖性单加氧酶，其使用还原的FAD（Fl_red，由黄素还原酶产生）和分子氧（O₂）进行氧化卤化。该酶形成C4a-氢过氧黄素（Fl_C4a-OOH）中间体，该中间体进一步氧化卤离子（Cl-/Br-/I-）形成HOX卤化物种并催化相应的卤化。有鉴于此，Vidyasirimedhi Institute of Science and Technology的Pimchai Chaiyen课题组使用了一种机制导向的策略来发现非天然卤化酶催化的亲电卤化活性。由于形成次卤酸（HOX）的能力是卤化的关键，因此研究人员探索了能够形成Fl_C4a-OOH的黄素依赖性单加氧酶/氧化酶，如脱卤酶、羟化酶、萤光素酶和吡喃糖-2-氧化酶（P2O），以及能够形成H₂O₂的黄素还原酶原位产生HOX的能力。

在这项研究中，研究人员使用停流分光光度法/荧光测定法和产物分析的瞬态动力学分析表明，脱卤酶、选定的羟化酶和荧光素酶中的Fl_C4a-OOH可以形成HOX，但在P2O中不能形成；然而，由Fl_C4a-OOH产生的HOX不能卤化它们的底物。值得注意的是，P2O原位产生的H₂O₂可以形成HOI，也可以碘化各种化合物。

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由于并非所有能够形成Fl_C4a-OOH的酶都能与卤化物反应形成HOX，因此进行了QM/MM计算、定点诱变和结构分析，以阐明HOX形成的机制并表征活性位点环境。这项工作首次报道了卤化酶亚家族外的黄素依赖性单加氧酶酶促产生HOX的能力，引发了一种新的化学酶卤化模式，从而为生物卤化提供了新的生物催化平台。

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原文标题：On the Mechanisms of Hypohalous Acid Formation and Electrophilic Halogenation by Non-Native Halogenases

原文作者：Kridsadakorn Prakinee, Narin Lawan, Aisaraphon Phintha, Surawit Visitsatthawong, Penchit Chitnumsub, Watcharapa Jitkaroon, and Pimchai Chaiyen*

Angew. Chem. Int. Ed 2024, e202403858