多组分反应——即三种或三种以上底物结合成产物的反应——在快速构建增加复杂性的化学构建块方面非常有用，但通过酶来实现这种反应仍然很少见。这种限制主要是因为酶的活性位点通常不能处理多种底物，特别是涉及多种自由基中间体的情况下。近年来，化学催化自由基分选已成为多种有用反应的一种使能策略。然而，由于自由基的立体化学控制固有的困难，使得这种过程具有对映选择性是极具挑战性的。三组分酶交叉偶联具有显著的优点，但其发展面临以下几个挑战：（1）由于酶的进化是为了特定的功能，在活性位点的限制范围内，涉及多种底物/自由基的反应本质上是困难的；（2）实现三种不同自由基的选择性，包括立体选择性和化学选择性，提出了一个额外的挑战，例如抑制先前报道的双自由基偶联途径；（3）克服这些酶的天然苯甲酸缩合反应性是至关重要的。
基于此，南京大学黄小强研究员和厦门大学王斌举教授（共同通讯作者）等人重新设计了焦磷酸硫胺素依赖酶，通过协同可见光催化的方式，构筑了一种三组分光生物催化体系。其中，硫胺素依赖性酶普遍存在，促进了键的形成，突破了自然界的双电子机制。
作者开发了一种双光/生物催化系统，以利用具有化学选择性和对映体选择性的三组分自由基交叉偶联。作者以三种现成的起始材料——醛类作为酰基自由基前体，α-溴羰基作为亲电自由基前体，烯烃作为自由基受体——为起点，重新利用的三组分自由基酶（3CRE）可以获得多种富集对映体的酮类。该方法取得了优异的立体选择性，33个例子中有25例对映选择性达到≥97% ee。
相关工作以《Synergistic photobiocatalysis for enantioselective triple radical sorting》为题在发表在最新一期《Nature》上。
本文的第一作者分别是南京大学邢仲秋博士和刘福露特任副研究员、厦门大学冯键强博士。
作者选择了4-苯基基苯甲醛（1a）作为酰基供体、苯乙烯（2a）作为烯烃组分、溴丙酮（3a）作为亲电性自由基前体，三种组分作为模板底物，探索了[Ru(bpy)3]Cl2•6H2O和ThDP依赖酶的催化体系。在蓝色发光二极管（450-460 nm LEDs）的照射下，作者最初筛选了多种硫胺素二磷酸（ThDP）依赖性酶。值得注意的是，只有来自荧光假单胞菌（PfBAL）的苯甲醛裂解酶的无细胞裂解物才能促进所需的三组分反应。它产生产物(S)-4a的产率仅为3%，对映体过量（ee）高达90%。
经过广泛的工程设计，作者确定了最优变体3CRE-1，具有5个突变。直接使用无细胞裂解物，3CRE-1获得了70%的4a产率和99.5% ee，绕过了天然安息香凝聚（5% 5a）。通过分子动力学模拟和半理性的迭代位点特异性突变策略对酶进化改造，作者发现T481L、A480G位点突变对反应的对映选择性有一定提升，Q113H、N283F位点对反应的收率有显著提升，通过五轮突变获取了最优的突变体。经过广泛的条件优化，3CRE-1被确定为模型反应的最佳变异体。对照实验明确证实，蛋白质、ThDP辅助因子、光氧化还原催化剂和可见光对于实现这种新的反应性都是必不可少的。
一系列具有对芳基或杂芳基取代基的醛产生了良好的结果，具有完美的对映体选择性（所有≥99% ee，4a-f）。值得注意的是，对杂芳基酮（4c-f）是过渡金属催化的C-H功能化的有趣底物，具有弱配位和强配位位点。芳香醛，无论是给电子基团还是吸电子基团，也被很好地容纳（4g-k），邻氟苯甲醛（4l）和苯并噻吩醛（4m）顺利进行。
不管取代基的电子性质（4n-q）和取代位置（4q-s）如何，大量现成的烯烃被成功转化为富集对映体的1, 5-二酮。杂环烯烃如噻吩基（4t）、呋喃基（4u）和吡啶基（4v）与光生物催化体系相容，而偶联二烯的主要产物为1, 7-二酮（4w）。此外，使用不同的自由基前体可引入一系列功能基团，如酮（4y-aa）、酯（4ab, 4ae）和腈（4ac），进一步扩大了产品的多样性。利用市售的二氟甲基化试剂3g，成功合成了对映体增强二氟酮（4ad）。总之，优异的立体化学控制、温和的反应条件和对官能团的广泛耐受性使这种新的自然生物催化成为实现分子复杂性的引人注目的替代方案。
南大今年已发Nature/Science成果如下：
2024年2月22日，南京大学谭海仁教授等人报道了在大面积全钙钛矿叠层组件领域取得新突破，其稳态光电转换效率高达24.5%，刷新了全钙钛矿叠层组件的世界纪录效率，为全钙钛矿叠层电池的量产和商业化应用奠定了技术基础。
2024年3月27日，南京大学物理学院杜灵杰教授等人利用极端条件下的偏振光散射技术在砷化镓量子阱中对分数量子霍尔效应的集体激发进行了测量，世界上首次观察到引力子激发（引力子模）——引力子在凝聚态物质中的新奇准粒子。
2024年8月14日，南京大学王涛教授等人首次揭示了星系中心黑洞的质量是调制星系中原子氢气体含量的最关键的物理量：中心黑洞质量越高的星系其原子氢气体含量越低。
2024年9月26日，南京大学朱嘉教授与加州大学米宝霞教授等人报道了通过仿生盐土植物的“选择性吸收-储存-释放”机制，成功开发界面光热盐湖提锂技术，该技术利用界面光热蒸腾效应，强化纳米通道传质并驱动高精度离子分离，实现了高选择性、低能耗、低碳排放的太阳能盐湖提锂。
2024年10月14日，南京大学谭海仁教授、吉林大学张立军教授和剑桥大学Samuel D. Stranks等人报道了不均匀性的另一个关键来源——电子传输层沉积过程中形成的顶部界面（ETL，C60）。
Synergistic photobiocatalysis for enantioselective triple radical sorting. Nature, 2024
原创文章，作者：zhan1，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2024/11/25/e25ddbebd4/
