通过对多种有机辅因子或金属辅因子依赖的酶进行功能的重新开发，对映选择性自由基生物催化领域取得了令人振奋的发展。在该领域早期的发展过程中，一个核心设计理念是：关键自由基中间体必须在酶的活性中心附近生成，通常需要依赖具有氧化还原活性的辅因子和/或底物-辅因子之间的电荷转移复合物。在此类机制中，自由基的启动步骤通常以底物与酶的结合与活化为前提。尽管这一策略已被广泛验证，推动了一系列高效的自由基生物催化反应的诞生，但它也对那些本身不具备氧化还原活性辅因子或者辅因子氧化还原活性较低的酶形成了限制。
近日，美国加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）杨扬教授和匹兹堡大学（PITT）刘鹏教授合作在Angewandte Chemie International Edition上在线发表了题为“Cooperative Photometallobiocatalysis: Nonheme Fe Enzyme-Catalyzed Enantioconvergent Radical Decarboxylative Azidation, Thiocyanation and Isocyanation of Redox-Active Esters”的研究论文，实现了光/天然金属酶协同催化的立体选择自由基脱羧叠氮化、硫氰化与异氰化反应，其中不对称自由基异氰化反应属于该类反应首次不对称报道（图1）。
图1. 光/天然金属酶协同催化的自由基脱羧叠氮化、硫氰化与异氰化反应 通过对一些列不同类型非血红素蛋白进行筛选，间苯二酚裂解酶（metapyrocatechase, MPC）凭借28%的收率和77:23 e.r.的最优初始活性脱颖而出。最终通过进一步的条件优化和定向进化，研究人员得到了PpMPC I291L L155F F302Y （PpMPC叠氮化酶）， 可以以74%的收率，99.5:0.5 e.r.得到叠氮化产物；最终获得三突变体 PpMPC I291L L155F I204L（PpMPC硫氰化酶），可以以54%，95:5 e.r.得到硫氰化产物。确定最优反应条件和突变体后，作者考察了该叠氮化和硫氰化反应的底物普适性，研究表明，各种取代的芳环，杂芳环以及三级底物均具有较好的兼容性（图2）。 图2. 光/天然金属酶协同催化的自由基叠氮化和硫氰化反应 同时通过向反应体系中加入苯胺作为氰酸酯捕获试剂，通过该化学–酶串联反应实现了不对称异氰化，可以以20%的收率，98:2 e.r.获得不对称脲产物8（图3）。 图3. 光/天然金属酶协同催化的自由基异氰化反应 为研究该非血红素铁酶催化的脱羧叠氮化反应机制及其对映选择性的来源，研究人员开展了一系列计算研究。DFT研究表明，在酶活性中心中，叠氮发生自由基回弹时，以中间或末端氮原子为反应位点均为动力学上极易发生且热力学放热的过程，具体取决于自由基的优先结合方式。经典分子动力学（MD）模拟发现：自由基的苯基位于非血红素铁中心与 H199 残基之间，而 H199 位于 E265 的反式方向。与此同时，顺式于 E265 的结合口袋被 Y255 与 Y302 两个残基阻挡，这两个残基通过在定向进化中引入的 F302Y 突变所产生的氢键网络连接。当自由基的 (Re)-面暴露于叠氮离子方向时，苄基自由基上的最小取代基 H 朝向空间拥挤的 L155F 残基方向，而 (Si)-面攻击则由于苄基上的甲基与 L155F 残基之间的立体排斥作用而受到不利影响（图4）。 图4. 机理研究 总结，UCSB杨扬团队和匹兹堡大学的刘鹏团队通过工程化非血红素铁酶与精心筛选的光催化剂之间的协同作用，开发了一套适用于氧化还原活性酯的光–金属–酶协同催化脱羧自由基叠氮化、硫氰化与异氰化反应体系，为生物合成手性有机叠氮，硫氰化化合物提供了有价值的工具，对天然非血红素依赖的金属酶功能的开发具有广泛的影响。 论文信息 Cooperative Photometallobiocatalysis: Nonheme Fe Enzyme-Catalyzed Enantioconvergent Radical Decarboxylative Azidation, Thiocyanation, and Isocyanation of Redox-Active Esters Liu-Peng Zhao, Ken Lin, Pei-Pei Xie, Huichong Liu, Hengye Xiang, Xin Liu, Yunlong Zhao, Peng Liu, Yang Yang Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202506361
