微生物芳烃氧化（MAO）是指微生物酶将芳族化合物转化为更高度氧化的产物的过程。尽管许多氧化产物是可能的，但最常用于有机合成的是顺式 -1,2-二羟基 - 环己-3,5-二烯（“二氢二醇”）。

介绍

微生物酶能够催化化学转化，否则化学转化会非常缓慢或需要苛刻的条件。芳族化合物氧化成脱芳构化产物是一种这样的转化的实例，得到的二氢二醇产物是有用的合成中间体。自Gibson 于1968年对恶臭假单胞菌进行开创性研究以来，^[2]已经确定了四类酶，它们将芳烃氧化为二氢二醇：

• 甲苯双加氧酶（TDs）

• 萘双加氧酶（NDs）

• 联苯双加氧酶（BPDs）

• 苯甲酸双加氧酶（BZDs）

这些酶的底物特异性低于它们的名称。对于前手性底物的反应，有规律地获得超过90％的对映体纯度（尽管对于这些反应，对映体纯度很少测量，并且通常假定产物的同手性）。然而，如果没有定制的酶，访问产品的“非天然”对映体通常是困难的。

（1）

机制与立体化学

流行机制

细菌双加氧酶的氧化立体特异性地产生顺式 -二氢二醇。该结果设定了细菌氧化的机制，除了该过程的哺乳动物和真菌形式之外，其产生反式二氢二醇。^[3]产品的顺式构型与同位素标记研究一起暗示了二氧杂环丁烷中间体; ^[4]但是没有直接观察到这种中间体。

（2）

立体化学模型

已经开发了一种可靠的模型，其解释了反应的立体选择性和位点选择性。^[5]由于芳烃的大取代基向上并且其他取代基向左指向，在右侧的芳烃顶面发生分子氧的接近。该模型分解了一些高度取代的底物，如菲和2-萘，不适用于BZDs。

（3）

范围和限制

甲苯双加氧酶将甲苯氧化成1,2-二羟基-6-甲基环己-3,5-二烯。^[6]芳香酯也是这些酶的良好底物，并以适中的产率得到二氢二醇（以及一些其他氧化产物;参见下面的等式（8））。

（4）

萘双加氧酶存在于多种假单胞菌生物中。它也催化其他多环芳族化合物的氧化，尽管对于除萘之外的基质，产率往往较低。^[4]

（5）

联苯双加氧酶氧化相对宽范围的芳族底物并表现出低的底物特异性。^[7]联苯氧化也可以使用TDO或NDO完成。

（6）

BZD的位点选择性与其他三类不同。氧化发生在本位 - 顺式的方式，独立于芳烃的取代模式的。^[8]

（7）

在微生物芳烃氧化过程中经常观察到不希望的氧化副产物，特别是对于“非天然”底物。在许多情况下已经注意到苄基氧化。硫化物总是被氧化成亚砜。^[9]

（8）

该反应的一个重要限制是当使用野生型酶时，只有单一的产物对映体可用。产生“非天然”对映体的酶必须通过定点诱变或其他生物化学技术进行工程改造。显示出“非自然”立体选择性的生物和酶的开发是一项持续的研究活动。^[10]

合成应用

由于担心更复杂底物氧化的效率和选择性，MAO通常在合成序列中早期进行。然而，可以通过各种方法操作简单的二氢二醇以得到复杂的产物。此外，微生物氧化过程与许多官能团相容。

例如，含硫醚的二氢二醇可通过碘苯的氧化然后在硫化锡存在下交叉偶联来获得。^[11]

（9）

二氢二醇已被精心制作成各种生物碱天然产物。两个例子如下所示。^[12] [13]

（10）

（11）

实验条件和程序

典型条件

MAO反应的条件需要使用专门技术在无菌环境中生长和处理微生物。通常，需要专门的细菌菌株来实现特定的转化，这些通常只能从它们最初培养的实验室获得。生物化学文献中充分记载了制备细菌培养基和处理微生物的技术。

二氢二醇本身必须在碱性条件下（pH> 9）储存，以防止它们经历酸催化脱水。制备用于储存的二醇的便利方法包括离心粗反应混合物，然后调节上清液的pH和浓度。尽管存在苯甲酸二氢二醇存在的酸性问题，但它们已被分离和表征，并且可以作为盐储存。

示例程序^[14]

（12）

一瓶接种物（在250mL烧瓶中50mL）的恶臭假单胞菌在发酵之前制备39 / D. 将矿物盐培养液（MSB）培养基（0.5L）和L-精氨酸盐酸盐（10g）置于2.8L的Fernbach烧瓶中，该烧瓶配有进气管和延伸通过烧瓶口闭合的蒸汽灯泡。将烧瓶，配件和内容物在高压釜中灭菌。冷却后，使用无菌技术将预先制备的接种物烧瓶转移到Fernbach烧瓶中。向蒸气球中加入氯苯（10mL），并将烧瓶在旋转振荡器上以150rpm和30°振荡48小时。除去含有过量氯苯的蒸气灯泡，测量烧瓶含水量的pH值，如果需要，调节至pH~9。将含水混合物等分到离心管中，通过在~8,000rpm下离心30分钟分离固体。滗析水性上清液，合并，用NaCl饱和，并用EtOAc（4×100mL）萃取。将合并的有机萃取液干燥（Na_将 SO ₄或MgSO ₄）过滤，并在减压下浓缩，得到190mg褐色固体。离心用于帮助破坏用有机萃取物观察到的任何乳液。从CH ₂ Cl _{2 -}己烷中重结晶固体得到灰白色固体，0.160g，mp 82-84°; ¹ H NMR（CDCl ₃）δ6.12（m，1H），5.87（m，2H），4.48（m，1H），4.19（t，J = 7.3Hz，1H），2.74（d，J = 7.3Hz， 1H），2.63（d，J = 8.4 Hz，1H）; ¹³ C NMR（CDCl ₃）δ134.9（C），128.0（CH），123.4（CH），122.7（CH），71.4（CH），69.1（CH）。