2026年10月9日，伟德bv1946官网柳红课题组、王明伟研究员与国科大杭州高等研究院团队合作，在国际学术期刊Nature Communications上发表题为“FtmOx1-catalyzed diverse C(sp³)-H oxyfunctionalization enables versatile late-stage diversification of phenethylamines and tetrahydroisoquinolines”的研究论文。该研究挖掘了真菌来源的铁酶FtmOx1的底物杂泛性，将其天然的内过氧化功能重编程，在苯乙胺、四氢异喹啉两类药物优势骨架上实现了β-羟基化、β-酮基生成、α,β-去饱和、脱烷基等多重C (sp³)-H氧化转化；结合结构生物学、定点突变、氘代动力学实验，揭示了底物柔性摆动与口袋相互作用控制反应选择性的分子机制；并且利用这套生物催化平台快速得到一系列人松弛素家族肽受体4（RXFP4）调节剂衍生物，为先导化合物发现提供新策略。

C(sp³)-H活化反应及后期官能团化是药物合成的重要技术手段。该技术对已有的药物分子骨架进行直接修饰改造，快速拓展分子化学空间、加速构效关系研究以及成药性评价。化学手段常面临条件苛刻、选择性差、官能团不兼容等瓶颈。而生物催化法具有绿色环保、选择性高的优势，但难点在于找到合适工具酶，匹配和理解酶如何与非天然底物药物对话。

苯乙胺、四氢异喹啉是药物化学中非常经典的优势母核，大量GPCR调节剂、神经保护、抗炎、降脂活性分子均含有该骨架。但传统合成很难高效地对骨架上脂肪族C-H进行选择性氧化修饰，造成构效关系研究存在短板。研究团队注意到烟曲霉代谢通路中的铁酶FtmOx1的天然底物与苯乙胺、四氢异喹啉类分子存在结构相似性，提出猜想：能否将FtmOx1“重新编程”，用于两类药物骨架的后期C-H氧化官能团化？

研究人员对组内底物库进行筛选，发现FtmOx1可以对苯乙胺、四氢异喹啉衍生物实现四类截然不同C(sp³)-H转化：β-立体选择性羟基化，生成1,2-氨基醇；二次氧化生成β-氨基酮；α,β-去饱和生成烯胺；α'/α-C-H氧化，发生脱烷基，生成酰胺/脲类产物（图1）。经过大量底物拓展试验，得到关键构效规律：1）苯乙胺系列底物中，相对刚性的脲基并环叔胺（吗啉、哌啶、吡咯烷）取代，对高活性、高选择性至关重要；换成二甲胺、吡啶基团，产率和选择性明显下降。A 环（苯乙基芳环）取代：甲氧基、溴、甲基、三氟甲基、噻吩环均可兼容；取代基的位阻、电子效应同时影响产率、酮副产物占比以及立体选择性。A’环（苄基侧芳环）对位具备氢键受体取代（OMe、NO₂、CN、OH）对高效β-羟基化至关重要；无氢键受体时，反应转向酮产物、脱烷基等反应。三甲氧基取代模式综合表现最优。2）与苯乙胺不一样，四氢异喹啉系列底物中，四电子氧化β-酮为主要产物，同时伴随少量β-羟基化、α,β-去饱和产物。氮上兼容性更广，适用于酰胺、磺酰胺等官能团。3）研究还表明酮产物可来自β-羟基化产物的二次氧化，也可来自α,β-不饱和烯胺的进一步氧化（类似 Wacker 氧化路径），两条路径并行，受底物取代基的调控。

结构生物学分析和点突变实验表明：“底物侧链柔性摆动+口袋氢键、疏水相互作用”共同决定了C‑H氧化的选择性（图2）。苯乙胺底物依靠脲基固定骨架，而苯乙基、苄基两条烷基链具备摆动自由度。当底物处于优势构象，β-C-H靠近铁中心，实现高选择性β-羟基化。生成羟基化产物后，脲基发生角度偏转，两条烷基链翻转摆动，羟基远离催化铁中心，阻止二次过度氧化，利于产物释放。四氢异喹啉底物骨架相对刚性，无法像苯乙胺一样自由摆动，α-C-H、β-C-H同时靠近铁中心，因此多种氧化产物共存。底物口袋中关键氨基酸残基（L64、F72、Y68、F115、L222、Y224、T134 等）的突变，会改变底物结合构象，直接调控产物分布比例。另外，与以往报道不同的是，FtmOx1天然内过氧化物通路中研究较多Y68、Y224酪氨酸残基，在该体系下，不参与非天然底物的氢原子转移，表明非天然反应遵循经典Fe/2OG铁氧中间体机制。

最后，生物活性测试表明：经过C-H氧化后的产物，相比母体分子，RXFP4激动活性有所提升，表明生物催化后期C-H官能团化不仅是更绿色高效的合成手段，还可以作为加速药物先导化合物发现与优化的重要策略。

上海药物所柳红研究员、国科大杭州高等研究院周圣斌副研究员和孙爱爱副研究员为论文的共同通讯作者。杭高院药学院博士生张加朋、化材学院硕士毕业生梁恒锐和药学院博士毕业生尚奥龙为论文的共同第一作者。该研究工作得到了国家和地方的经费支持。

相关文章：FtmOx1-catalyzed diverse C(sp3)-H oxyfunctionalization enables versatile late-stage diversification of phenethylamines and tetrahydroisoquinolines Nat. Commun. 2026

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-78405-z

图1. 铁酶FtmOx1催化天然和非天然多样C(sp³)-H氧化的比较

图2. 结构生物学分析及点突变实验验证关键残基对产物分布的影响

（供稿部门：柳红课题组；审核：徐晓萍；责编：宋文珂）