“生物催化剂工具箱”改善了对自由基的控制

合成化学家面临的主要挑战之一是控制自由基。具有不成对电子的高反应性分子，您可能熟悉自由基;这些是我们服用抗氧化剂补充剂的分子类型，以驯服氧化应激。

然而，在合成化学领域，自由基有很多希望。

“自由基化学对于生物活性小分子和日常聚合物的合成都非常有用，”加州大学圣巴巴拉分校化学教授杨扬说，他是发表在Nature Catalysis上的一篇关于这个问题的论文的作者。“然而，对自由基介导的反应施加立体控制几十年来一直躲避不对称催化界。我们正在努力开发生物催化策略，以进一步推动自由基化学的界限。

为了充分释放自由基的合成潜力，Yang及其同事专注于立体化学 – 也称为3D化学，专注于原子和分子的三维取向。有机分子的立体化学对其性质有重大影响。例如，（S）-香芹酮或“左撇子”香芹酮是解释薄荷独特气味的主要成分。相比之下，（R）-香芹酮或“右手”香芹酮存在于葛缕子种子中，具有完全不同的气味。因此，精确控制立体化学是合成化学的主要目标。

为了实现这一目标，化学家转向催化剂，这些物质能够使化学反应而不会在此过程中被消耗或转化，从而使它们可重复使用。

实现这种类型的立体控制并非易事。 “一般来说，引导自由基走向所需的立体化学是非常困难的，”杨说。自由基一旦形成，就不会与催化剂紧密相互作用。此外，这些自由基在另一种意义上基本上是自由的——它们可以迅速远离潜在的反应位点。

但杨和合作者有一些技巧：金属酶 – 具有活性金属中心的天然蛋白质，能够产生和控制这些自由基以进行选择性转化。

“具体来说，在本文中，我们解决了该领域的一个问题，即如何控制自由基物种对芳香族化合物的立体选择性添加，”杨说。“在这种情况下，自由基来自外消旋起始材料。

这就是三维化学的用武之地。“外消旋”意味着材料由等比例的“左旋”和“右旋”（也称为“手性”）分子组成 – 由相同原子组成的不对称分子，因此在化学上相同，但彼此是镜像。就像你的手一样，你可以将它们反射匹配，但你不能将它们叠加在同一方向。在正常情况下，这会给酶带来问题。

“酶被广泛认为是非常特殊的催化剂，”杨说。“如果酶是如此特异性，这在自然界中经常发生，那么酶只能识别和转换手性化合物的一种对映体形式，”杨说。“而且酶通常不接受它的镜像。

 “但是在我们的工作中，”杨继续说，“我们设计了一种酶，可以接受左手和右手形式的起始材料，然后将这些起始材料转化为具有出色选择性的相同主要对映体产物。

 在他们的论文中，研究人员使用一种铁依赖性酶来产生高活性的自由基物种。通过定向进化，他们设计了一组选择性铁酶来生产具有出色选择性的左旋或右旋产物。此外，使用第三种“动力学分辨率”酶，研究人员可以选择性地转换左手起始材料，而右手起始材料保持不变。

“所以我们有一个酶工具箱，允许各种类型的立体控制，用于芳香族化合物的自由基功能化，”杨说。“然而，这些酶彼此之间的区别只有几个突变。杨希望这个不断增长的生物催化剂工具箱将帮助其他人更好地控制他们的3D化学，这是一个继续面临有机化学家的经典问题。

 “我们的金属酶提供了一种潜在的通用解决方案来控制自由基的选择性，”杨说。“因此，我们创造的这些生物催化解决方案有望促进学术界和工业界手性化合物的合成和研究。