南京大学与厦门大学团队在《Angew. Chem. Int. Ed.》发表光酶协同催化不对称自由基烷基化研究

一、作者与发表信息
本研究的通讯作者为南京大学的Xiaoqiang Huang教授与厦门大学的Binju Wang教授，合作单位包括中国科学技术大学、中国科学院强磁场科学中心等。研究于2025年4月发表于《Angewandte Chemie International Edition》（DOI: 10.1002/anie.202500338），题为《Enantiodivergent Radical Alkylation by Synergistic Lewis-Acid-Enzyme and Photoredox Catalysis》。

二、学术背景
该研究属于生物催化（biocatalysis）与光催化交叉领域，旨在解决传统不对称催化中复杂配体依赖性和反应类型局限性的问题。人工金属酶（artificial metalloenzymes, ArMs）和光酶催化（photoenzymatic catalysis）是拓展酶非天然反应活性的两种前沿策略，但两者的协同应用此前尚未实现。研究团队提出将路易斯酸（Lewis acid, LA）金属酶与光氧化还原催化结合，开发新型立体选择性自由基C(sp³)–C(sp³)键形成方法，以合成手性α-酮类化合物。

三、研究流程与方法
1. 蛋白质设计与筛选
- 研究对象：选用Thermotoga maritima来源的cupin蛋白家族（如TM1287、TM1459）作为支架，通过半理性设计突变金属结合位点（如His52→Ala/Gly/Leu/Phe）。
- 实验方法：
- 金属中心替换：测试Cu(II)、Cu(I)等金属与突变蛋白的结合能力，筛选出催化活性最佳的Cu(II)-蛋白复合物。
- 光催化体系：以2-酰基咪唑（1a）和苯甲酰氯（2a）为模型底物，在Ru(bpy)₃Cl₂光催化剂（2 mol%）和450–460 nm LED光照下反应。
- 创新方法：开发了“光-路易斯酸酶”（photo-LASe）平台，通过蛋白质工程优化活性口袋的立体环境（如TM1287-E68A-R23Y-M22F突变体）。

1. 反应条件优化

   • 通过调整Cu²⁺/蛋白比例（1:2）、溶剂（8% DMSO的磷酸缓冲液）和温度（室温或4°C放大反应），抑制背景消旋反应，实现高产率（最高97%）和高对映选择性（er值达98.5:1.5）。
     
   • 对比实验显示：无光照时，TM1459-H52A-Cu(II)通过SN2路径生成(S)-产物；光照下则通过自由基路径生成®-产物，证实光触发机制转换。
     

2. 底物拓展与机理验证

   • 底物范围：测试了20余种底物，包括2-酰基吡啶、萘基和噻吩衍生物，均能以中等至高产率（53–92%）获得目标产物。
     
   • 机理研究：
     
     • 光谱分析：UV-Vis证实Cu(II)-酶-底物形成金属酶烯醇中间体（吸收红移至325–380 nm）。
       
     • EPR与猝灭实验：使用DMPO捕获自由基，证明苯甲酰自由基为主要活性物种；Stern-Volmer实验显示酶烯醇体是激发态Ru(bpy)₃²⁺*的猝灭剂。
       
     • 计算模拟：QM/MM计算揭示自由基加成路径的能垒差异（C–C键形成能垒：1.0 kcal/mol for ®-vs 4.6 kcal/mol for (S)-构型）。
       

四、主要结果
1. 催化性能：
- 最优突变体LASe（TM1459-H52G-F104V）和LASeS（TM1287-E68A-R23Y-M22F）分别实现®-和(S)-产物的高选择性（er >95:5）。
- 克级放大反应产率保持稳定，证实方法的实用性。

1. 机制突破：
   
   • 提出“双催化循环”模型：光催化生成自由基，酶控制立体选择性；自由基加成路径为主，自由基-自由基偶联为次要路径。
     
   • 发现光/暗条件切换可反转对映选择性，为反应调控提供新维度。
     

五、结论与价值
该研究首次实现了光氧化还原与路易斯酸金属酶的协同催化，突破了传统酶催化对有机辅因子的依赖，为绿色合成手性分子提供了新范式。其科学价值在于：
1. 方法论创新：融合蛋白质工程与光催化，拓展了ArMs的反应类型。
2. 应用潜力：高效合成药物中间体（如α-手性酮），反应条件温和、底物范围广。

六、研究亮点
1. 立体发散性合成：同一蛋白框架通过突变和光照条件调控可获得两种对映体。
2. 机制深度解析：通过实验与计算结合，阐明了光触发自由基路径与SN2路径的竞争关系。
3. 绿色化学：水相反应、低催化剂负载量（TON达120），符合可持续发展需求。

七、其他价值
研究为设计非天然酶反应提供了新思路，未来可应用于其他自由基反应（如C–N键形成）或复杂天然产物合成。