磷是生命的六大元素之一，但自然界中酶促碳-磷（C−P）键的形成极为罕见。这一生物合成工具包的缺失影响尤为重大，因为立体构型位于磷原子上的P(V)骨架在药物和农用化学品中十分常见，而磷原子的绝对构型往往直接决定其生物活性。尽管P-手性化合物的不对称合成已取得显著进展，但基于直接C−P键形成的一般性酶促平台尚未实现。在此，加州理工学院（California Institute of Technology）Frances Arnold教授团队报道了嗜热古菌(Aeropyrum pernix) 原球蛋白（ApePgb）变体的发现与定向进化，这些变体能够催化卡宾插入到二级氧化膦和H-次膦酸酯的P−H键中。本文研究亮点：
1.首次实现酶促卡宾对P–H键的不对称插入：本研究首次实现血红素蛋白催化卡宾插入P−H键，直接构建P-手性C−P键。作者从约300个变体库中筛选出初始变体G0，经多轮定向进化获得高效催化剂，突破了此前酶法仅能通过P−O键裂解间接处理P-手性中心的局限。
2.对映发散性合成平台：从单一ApePgb骨架出发，定向进化获得两支对映互补的变体系列，可按需获取任意P-构型产物。G4/G5OEt主要生成R-构型产物（催化2a与EDA达52%产率、94% ee），G6.1/G11.1则高效生成S-构型产物（P₈-1b产率52%、94% ee；P₅-5b产率45%、99% ee）。
3.广泛的底物范围：该平台适用于多种二级氧化膦（苯基-烷基、苯基-芳基）和H-次膦酸酯（芳基及脂肪族）。例如PhBnP(O)H（3a）经G6.1催化以52%产率和99% ee生成R-产物，同时回收的原料S-3a也具有99% ee，单一反应同时获得两种高光学纯度P-手性化合物。除EDA外，DAN和LAD也可作为卡宾前体，后者以98% ee构建C−P键。
4.发现氮烯P–H插入的潜在活性：在卡宾进化过程中获得的G4变体对氮烯P–H插入表现出20倍的活性提升（产率38%，26% ee），经短期进化后获得对映体选择性有所改善的变体（G6N：35%产率，49% ee；G6N.1：16%产率，31% ee），首次实现了酶促不对称P–N键形成的雏形。
本研究通过定向进化将古老的protoglobin蛋白改造为高效、对映发散性的P–H键卡宾/氮烯插入催化剂，为P-手性化合物的不对称合成提供了一种前所未有的生物催化平台。
图1. 研究背景和本文工作（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
图2. 模型反应、G0的定向进化及其对应的产率与对映选择性、结构模型、碳宾转移反应和酶平台建立（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
图3. 底物范围（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
图4. 潜在活性和分裂演进（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
论文信息
Hayden M. Carder, Ethan N. Lin, Daniel Roth, Frances H. Arnold*. Enantiodivergent Carbon−Phosphorus Bond Formation via Enzymatic Carbene Insertion. J. Am. Chem. Soc.,2026, https://doi.org/10.1021/jacs.6c10375.
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