Nat. Catal.：光生物催化自由基重新定位实现远程C–C/C–H键的对映选择性酰基化反应

研究论文介绍

Nat. Catal.：光生物催化自由基重新定位实现远程C–C/C–H键的对映选择性酰基化反应

作者：杉杉

导读：

近日，南京大学的黄小强与南京工业大学的江凌课题组在Nature Catalysis中发表论文，报道一种全新的可见光驱动、硫胺素依赖型自由基生物催化体系。该体系利用氮中心自由基(NCR)-引发的自由基重新定位机理(radical repositioning)，实现了远程C–C/C–H键的对映选择性酰基化反应。该反应通过协同单电子转移与硫胺素辅因子介导的生物催化作用生成氮中心自由基(NCRs)，该自由基继而通过1,n-氢原子转移或碳-碳键断裂迁移至远端碳中心自由基位点，进而在活性位点内实现自由基交叉偶联反应。此过程高效构建了含远端羰基的手性腈类及酰胺类化合物，具有良好至优异的对映体比例。该策略将自由基重新定位与酶催化相结合，实现了远端C–H/C–C键的选择性官能团化。

Photobiocatalytic radical repositioning for enantioselective acylation of remote C–C/C–H bonds

Y.Ming, Z.Wu, Y. Xu, Y. Chen, Z. Xing, X. Peng, J. Chun, H. Sun, J. Wu, Y. Zheng, L. Jiang, X. Huang, Nat. Catal. 2025, ASAP. doi: 1038/s41929-025-01435-1.

正文：

深入理解自由基中间体的性质，对于开发非天然生物催化机制及释放生物催化剂的变革性潜力至关重要。自由基重新定位作为一种普遍存在却长期在生物系统中被忽视的现象，其本质是通过分子内氢原子转移(HAT)、基团迁移及自由基中心的断裂等多种途径实现未成对电子的迁移。该过程的关键意义在于：为选择性活化固有惰性的C–H/C–C键(特别是在常规方法难以实现选择性的远端位点)提供了有效策略。在有机化学领域，通过1,5-氢原子转移实现的自由基重新定位是一种文献中已有详尽描述的自由基过程^[1]。然而，在自然界中，自由基重新定位的实例仍然相对有限。代表性案例包括：细胞色素P450-催化的涉及自由基1,3-互变异构的氧化C–C偶联反应^[2]，以及光脱羧酶通过氧自由基向碳自由基的转位过程催化的天然脂肪酸脱羧反应^[3](Fig. 1a)。这些实例通常局限于邻近自由基转位。因此，仍需开发新型的策略以利用自由基重新定位的独特优势，实现远端惰性键位的选择性活化。氮中心自由基(NCRs)作为一类多功能自由基物种，其能引发多种化学反应，为生物催化领域提供了尚未充分探索的机遇。随着可见光催化技术发展成为生成各类氮中心自由基的强大平台，NCR-介导的自由基1,2-至1,5-乃至1,n-位转位过程已获广泛报道^[4](Fig. 1b)。尽管存在多样化的重新定位模式，但在迁移形成的前手性碳自由基的后续反应中实现立体化学控制仍是一个挑战。最近，诸多研究团队证明了NCR与酶的兼容性(Fig. 1c)。在这些光生物催化转化体系中^[5]，初始生成的NCRs直接被烯还原酶活性位点内的不饱和C=C键捕获，既未发生自由基转位，也未活化惰性键位。这里，南京大学的黄小强与南京工业大学的江凌课题组报道一种全新的可见光驱动、硫胺素依赖型自由基生物催化体系。该体系利用NCR-引发的自由基重新定位机理，实现了远程C–C/C–H键的对映选择性酰基化反应(Fig. 1d)。

首先，作者采用4-氯苯甲醛1a(酰基供体)与环丁烷衍生物2a作为模型底物，进行相关反应条件的优化筛选(Table 1)。进而确定最佳的反应条件为：采用硫胺素依赖酶(PfBAL-T481L-A480G)作为生物催化剂，DMSO作为助溶剂，TEOA缓冲液作为溶液，450-460 nm LEDs作为光源，在室温下反应，最终获得79%收率的产物(S)-3a(97:3 e.r.)。

在上述的最佳反应条件下，作者对一系列C–C键的对映选择性酰基化反应的底物范围进行深入研究(Fig. 2)。首先，非取代的苯甲醛，仅以13%的收率得到产物3b，er为95:5。对于对位含有不同取代基(如甲基、卤素、甲硫基、卤素、三氟甲基、氰基、苯基和吡啶基)的苯甲醛，均可顺利进行反应，获得相应的产物3c–3j，收率为39-91%，er为86:14-98:2。其中，含有吸电子取代基的底物，通常反应效率更高。间三氟甲基取代的苯甲醛，也是合适的底物，可以23%的收率得到产物3k，er为93:7。然而，邻位取代的苯甲醛或脂肪醛，均与体系不相容。其次，当肟醚底物中含有不同取代的芳基时，均可顺利进行反应，获得相应的产物3l–3s，收率为18-80%，er为95:5-99:1。其中，含有缺电子取代基的底物，通常比含有供电子取代基的底物反应效率更高。同时，环戊酮和环己酮肟醚，也是合适的底物，分别获得相应的产物3t(收率为77%，er为98.5:1.5)和3u(收率为40%，er为99:1)。

之后，该小组发现，当采用N-(2,4-二硝基苯氧基)-N-甲基-4-苯基丁酰胺(4a)与4-氯苯甲醛(1a，酰基供体)作为模型底物，通过对反应条件的再次优化，如PfBAL-T481L-A480G-N283F作为生物催化剂，FAD作为光催化剂，可以54%的收率得到产物5a，er为98:2(Fig. 3a)。随后，作者对一系列C–H键的对映选择性酰基化反应的底物范围进行扩展(Fig. 3b)。首先，对位上含有不同电性取代基的苯甲醛，均可顺利进行反应，获得相应的产物5a–5j，收率为23-82%，er为89:11-99.5:0.5。含有联芳基取代的醛，也是合适的底物，可以50%的收率得到产物5k，er为99:1。对于含有邻氟、间氟和间三氟甲基取代的苯甲醛，反应效率较低，如5l–5n，收率为7-26%，er为94:6-96:4。然而，脂肪醛和邻三氟甲基取代的苯甲醛，均未能有效的参与反应，如5o–5q。其次，当底物4中含有不同取代的芳基时，也能够顺利进行反应，获得相应的产物5r–5x，收率为44-58%，er为90:10-97:3。此外，当以N-(2,4-二硝基苯氧基)-N-甲基-3-苯基丁酰胺(4i)为底物时，获得了意想不到的C(sp²)-H芳烃酰化产物(5y)，收率为85%。

接下来，作者对反应的机理以及后续的衍生化进行了研究(Fig. 4)。首先，作者提出如下合理的反应机理(Fig. 4a)。该循环始于醛衍生物1与酶促ThDP辅因子(中间体I)的缩合反应，形成酶结合的Breslow中间体II。中间体II与可见光激发的光催化剂(PC)发生单电子转移(SET)，在酶活性位点内生成关键的羰基负离子自由基中间体III。同时，生成的光催化剂自由基阴离子(PC^·−)还原自由基前体，引发苄基自由基IV的形成。在C–C酰化的情况下，肟醚2首先转化为亚胺自由基，随后发生快速自由基β-断裂，生成含有远端氰基的开环苄基自由基IV。在C–H酰化的情况下，N-ODNP酰胺4的自由基阴离子经历连续的异裂断裂和1,5-氢原子转移(1,5-HAT)，形成含有远端酰胺基团的苄基自由基IV。苄基自由基IV扩散至酶活性位点，与自由基III发生交叉偶联，以对映选择性方式完成关键的C–C键形成步骤，生成中间体V。最终，经历断裂反应，生成手性富集产物3或5，同时再生具有催化活性的酶结合ThDP中间体I，从而完成催化循环的过程。

其次，C–C键酰化反应中的自由基捕获实验结果，进一步证明了苄基自由基中间体IV的形成(Fig. 4b)。不同条件下C–C键自由基酰基化反应的产率-时间曲线图表明，可见光加速了自由基反应(Fig. 4d)。鉴于自由基III与IV的生成动力学匹配对后续自由基重组至关重要，这种光促进的自由基生成过程是本体系自由基酰基化反应高效性的关键所在。C–C键酰化反应的紫外-可见吸收光谱结果表明，在混合RAT、1a和2a时，原位形成2,4-二硝基苯酚(DNP)(Fig. 4e)。C–H键酰化反应中的淬灭实验结果表明，激发态FAD通过还原淬灭途径，促进了Breslow中间体II与自由基前体4之间的单电子转移(Fig. 4f)。此外，为解释位移后的前手性碳自由基的对映选择性差异，作者在中间体III内对中间体IV的对接结构进行了分子动力学(MD)模拟(Fig. 4g)。研究结果表明，S-构型产物的形成可能更具优势，这与实验结果一致。

最后，通过产物3i的后期衍生化，如还原与氧化，进一步证明了反应的实用性(Fig. 4c)。

总结：

南京大学的黄小强与南京工业大学的江凌课题组开发了一种自然界前所未有的新型策略，即将光生物催化自由基重新定位技术，用于远程C–C/C–H键官能团化反应。其中，可见光促进的单电子转移(SET)过程产生活性氮中心自由基，进而引发自由基重新定位形成远程前手性碳中心自由基。酶活性位点精准调控这些自由基的反应活性、化学选择性及对映选择性，实现了多种腈类与酰胺类化合物的可持续合成。该策略作为传统化学催化方法的补充，在温和、水相、无金属、无配体条件下进行，并具备优异的对映选择性。

参考文献：

[1] D. H. R. Barton, J. M. Beaton, L. E. Geller, M. M. Pechet, J. Am. Chem. Soc. 1960, 82, 2640. doi:10.1021/ja01495a061.
[2] L. E. Zetzsche, J. A. Yazarians, S. Chakrabarty, M. E. Hinze, L. A. M. Murray, A. L. Lukowski, L. A. Joyce, A. R. H. Narayan, Nature 2022, 603, 79. doi:10.1038/s41586-021-04365-7.
[3] M. M. E. Huijbers, W. Zhang, F. Tonin, F. Hollmann, Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 13648. doi:10.1002/anie.201807119.
[4] K. Kwon, R. T. Simons, M. Nandakumar, J. L. Roizen, Chem. Rev. 2021, 122, 2353. doi:10.1021/acs.chemrev.1c00444.
[5] W. Harrison, X. Huang, H. Zhao, Acc. Chem. Res. 2022, 55, 1087. doi:10.1021/acs.accounts.1c00719.