生物催化剂工具箱改善对自由基的控制

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(自由基)可能是您所熟悉的;这些是我们服用抗氧化剂补充剂的分子类型，以努力抑制氧化应激。

然而，在合成化学领域，自由基有着广阔的前景。

“自由基化学对于生物活性小分子和日常聚合物的合成非常有用，”加州大学圣巴巴拉分校化学教授杨阳说，他是《自然催化》杂志上发表的一篇关于该物质的论文的作者。“然而，对自由基介导的反应进行立体控制数十年来一直困扰着不对称催化界。我们正在尝试开发生物催化策略，以进一步突破自由基化学的界限。”

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)，其重点是原子和分子的三维方向。

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“左手”香芹酮是造成薄荷独特气味的主要成分。相比之下，(R)-香芹酮或“右手”香芹酮存在于香菜种子中，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一个主要目标。为了实现这一目标，化学家求助于催化剂，这种物质能够实现化学反应，而本身不会在过程中被消耗或转化，从而使其可重复使用。

实现这种类型的立体控制绝非易事。“总的来说，将自由基转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，从另一种意义上讲，这些自由基本质上是自由的——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，能够产生并控制这些自由基以进行选择性转化。

“具体而言，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加成，”杨说。“在这种情况下，自由基衍生自外消旋起始材料。”

这就是三维化学的用武之地。“外消旋”意味着该材料由等比例的“左手”和“右手”(也称为“手性”)分子组成，即由相同原子组成的不对称分子，因此化学性质相同，但彼此是镜像。就像你的手一样，你可以将它们以反射方式匹配，但你不能将它们面向相同的方向叠加。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。杨说：“如果酶如此特异，这种情况在自然界中经常发生，那么酶只能识别和转化手性化合物的一种对映体形式。”“而且酶常常不接受它的镜像。

“但在我们的工作中，”杨继续说道，“我们设计了一种酶，它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相同的主要对映体产物，并具有出色的选择性。”

在他们的论文中，研究人员使用铁依赖性酶来产生高活性自由基物质。通过定向进化，他们设计了一组选择性铁酶，以优异的选择性生产左旋或右旋产物。此外，利用第三种“动力学解析”酶，研究人员可以选择性地转化左手起始材料，而右手起始材料不受影响。

“因此，我们拥有一个酶工具箱，可以对芳香族化合物的自由基功能化进行各种类型的立体控制，”杨说。“然而，这些酶之间仅存在一些突变。”Yang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，这是有机化学家继续面临的一个经典问题。

“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，我们创建的这些生物催化解决方案将有望促进学术界和工业界手性化合物的合成和研究。”