Insight into the Mechanism Underlying Dehalococcoides mccartyi Strain CBDB1-Mediated B12-Dependent Aromatic Reductive Dehalogenation

卤化 化学 脱氯作用 脱卤球绦虫 还原消去 计算化学 密度泛函理论 反应机理 环应变 立体化学 分子 催化作用 有机化学 生物降解 氯乙烯 共聚物 聚合物
作者
Shangwei Zhang,Wu Wen,Xinghui Xia,Wei Ouyang,Bixian Mai,Lorenz Adrian,Gerrit Schüürmann
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:57 (29): 10773-10781
标识
DOI:10.1021/acs.est.3c00364
摘要

Anaerobic bacteria transform aromatic halides through reductive dehalogenation. This dehalorespiration is catalyzed by the supernucleophilic coenzyme vitamin B12, cob(I)alamin, in reductive dehalogenases. So far, the underlying inner-sphere electron transfer (ET) mechanism has been discussed controversially. In the present study, all 36 chloro-, bromo-, and fluorobenzenes and full-size cobalamin are analyzed at the quantum chemical density functional theory level with respect to a wide range of theoretically possible inner-sphere ET mechanisms. The calculated reaction free energies within the framework of CoI···X (X = F, Cl, and Br) attack rule out most of the inner-sphere pathways. The only route with feasible energetics is a proton-coupled two-ET mechanism that involves a B12 side-chain tyrosine (modeled by phenol) as a proton donor. For 12 chlorobenzenes and 9 bromobenzenes with experimental data from Dehalococcoides mccartyi strain CBDB1, the newly proposed PC-TET mechanism successfully discriminates 16 of 17 active from 4 inactive substrates and correctly predicts the observed regiospecificity to 100%. Moreover, fluorobenzenes are predicted to be recalcitrant in agreement with experimental findings. Conceptually, based on the Bell-Evans-Polanyi principle, the computational approach provides novel mechanistic insights and may serve as a tool for predicting the energetic feasibility of reductive aromatic dehalogenation.
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