Multicomponent kinetic analysis and theoretical studies on the phenolic intermediates in the oxidation of eugenol and isoeugenol catalyzed by laccase

文献情報

出版日 2015-10-07
DOI 10.1039/C5CP03475B
インパクトファクター 3.676
著者

Yan-Bing Qi, Xiao-Lei Wang, Ting Shi, Shuchang Liu, Zhen-Hao Xu, Xiqing Li, Xuling Shi, Ping Xu, Yi-Lei Zhao


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要旨

Laccase catalyzes the oxidation of natural phenols and thereby is believed to initialize reactions in lignification and delignification. Numerous phenolic mediators have also been applied in laccase-mediator systems. However, reaction details after the primary O–H rupture of phenols remain obscure. In this work two types of isomeric phenols, EUG (eugenol) and ISO (trans-/cis-isoeugenol), were used as chemical probes to explore the enzymatic reaction pathways, with the combined methods of time-resolved UV-Vis absorption spectra, MCR-ALS, HPLC-MS, and quantum mechanical (QM) calculations. It has been found that the EUG-consuming rate is linear to its concentration, while the ISO not. Besides, an o-methoxy quinone methide intermediate, (E/Z)-4-allylidene-2-methoxycyclohexa-2,5-dienone, was evidenced in the case of EUG with the UV-Vis measurement, mass spectra and TD-DFT calculations; in contrast, an ISO-generating phenoxyl radical, a (E/Z)-2-methoxy-4-(prop-1-en-1-yl) phenoxyl radical, was identified in the case of ISO. Furthermore, QM calculations indicated that the EUG-generating phenoxyl radical (an O-centered radical) can easily transform into an allylic radical (a C-centered radical) by hydrogen atom transfer (HAT) with a calculated activation enthalpy of 5.3 kcal mol−1 and then be fast oxidized to the observed eugenol quinone methide, rather than an O-radical alkene addition with barriers above 12.8 kcal mol−1. In contrast, the ISO-generating phenoxyl radical directly undergoes a radical coupling (RC) process, with a barrier of 4.8 kcal mol−1, while the HAT isomerization between O- and C-centered radicals has a higher reaction barrier of 8.0 kcal mol−1. The electronic conjugation of the benzyl-type radical and the aromatic allylic radical leads to differentiation of the two pathways. These results imply that competitive reaction pathways exist for the nascent reactive intermediates generated in the laccase-catalyzed oxidation of natural phenols, which is important for understanding the lignin polymerization and may shed some light on the development of efficient laccase-mediator systems.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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