李爱涛教授团队Angew：尼龙单体绿色合成获新突破

2023年2月25日，《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）在线报道了湖北大学生命科学学院、省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室李爱涛教授团队最新研究成果。该论文题目为“Transforming Inert Cycloalkanes into α,ω-Diamines by Designed Enzymatic Cascade Catalysis”。团队成员博士研究生张中伟和硕士研究生方淋为本文的共同第一作者，李爱涛教授为通讯作者（图1）。

图1 论文首页

尼龙是世界上出现的第一种合成纤维，它的合成是纤维合成工业的重大突破，更是高分子化学的一个重要里程碑。脂肪族α,ω-二胺是一类重要的大宗化学品，主要用作聚酰胺塑料制造中的单体，在工程塑料、机械配件、纤维、薄膜等材料的制造中具有非常广泛的应用。其中，1,6-己二胺可用作尼龙 66 单体，尼龙 66 是纺织和塑料工业最重要的聚酰胺之一，被大量广泛地应用到众多关系国计民生的重要领域，诸如纺织服装、医药卫生、农业食品、物流运输及军事国防等。 然而，由杜邦开发的主要的1,6-己二胺工业生产工艺是以丁二烯作为起始原料的能源密集型多级化学反应（图 2a）。 虽然成功地大规模应用，但该工艺仍然存在使用剧毒的氰化氢、苛刻的反应条件和不理想的选择性等问题。为了克服这些问题，多年来，科研工作者们不断尝试寻找一种高效绿色的合成方法。

图2: a) 工业法合成1,6-己二胺的路线； b) 本工作设计的1,6-己二胺生物催化路线。

鉴于此，李爱涛教授团队报道了一种高效将惰性环烷烃转化为尼龙单体α,ω-二胺的一锅法体内生物级联反应（图 2b），团队成员基于逆向合成分析，理性设计了一种用生物合成尼龙单体α,ω-二胺（如己二胺）的体内生物催化路线，这种生物催化级联反应由三种大肠杆菌细胞模块组成的微生物组催化，使用简单且容易获得的环烷烃作为底物。由于整条合成路径包括了多种不同种类的酶，如何构建可以高效催化整个反应的大肠杆菌微生物组是该研究一个非常关键的问题。团队成员基于CRISPR-Cas9介导的基因组编辑和模块化的酶分子组装构建了不同种类的细胞模块，并对其进行了系统的优化，最终选择出效果最好的细胞模块组成大肠杆菌微生物组EC 2_3和EC 1_2_3。构建的大肠杆菌微生物组可以实现以环烷烃或环烷醇为底物高效合成尼龙单体α,ω-二胺（图3）。当使用环己醇和环己烷作为底物时，分别可获得高达16.5mM和7.6mM的1,6-己二胺，为工业生产1,6-己二胺的高能耗高污染等问题提供了理想的解决方案。

图3: 环烷烃或环烷醇为底物合成尼龙单体α,ω-二胺。

上述研究得到了科技部国家重点研发计划(2019YFA0905002)，湖北省杰出青年基金(2020CFA072)、湖北省生物催化与酶工程创新引智示范基地(2019BJH021)以及省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室自主研发基金等项目的资助。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202215935