名校联手开发光酶系统，将脂肪酸升级为重要结构单元手性胺，解决合成化学中的长期挑战

手性胺是生物活性分子、天然产物、中间体和分解剂的重要结构单元，在药物、农用化学品和材料的合成以及不对称催化中有着广泛应用。例如，镇痛药吗啡、曲马多，抗抑郁药舍曲林，抗血栓药波立维等均含有手性胺。而如何高效和绿色地合成手性胺是合成化学中长期存在的挑战。

我们知道，大多数生物化合物，包括 DNA 分子、氨基酸和许多农用化学品，都是“手性”的，这意味着翻转或镜像的副本不能完全叠加在原始分子的顶部（如左手和右手）。手性在许多农化产品中很重要，例如，在某些除草剂中，一种对映体可能比另一种对映体具有更高的除草活性和选择性。因此，开发有效制备手性分子的方法非常重要。

目前，在基态下合成手性胺取得了很大进展，其中反应活性主要源于含氮底物的亲核性和对金属的配位能力，但很少有例子证明氮中心自由基的对映选择性交叉偶联反应，其中极性有时被认为与其对应的胺相反。

合成手性胺的关键难点均围绕着氮中心自由基。氮中心自由基非常不稳定，很容易通过抽取一个氢原子而被淬灭，而且在没有有机催化剂或过渡金属催化剂结合基团的情况下，很难控制氮中心自由基与不饱和键的手性加成，尤其是当目标手性中心远离反应中心。

若能有更好的方法来控制氮中心自由基的分子间反应性，将给手性胺合成路线的设计带来更大的灵活性。

近期，在 Nature Catalysis 杂志上发表了一项新研究，研究人员开发了一种光酶系统，可以控制对映选择性分子间自由基氢胺化反应中不稳定的氮中心自由基。迄今为止，这一直是化学领域的一个重大挑战。这也是一种清洁、有效地合成手性胺的方法。

（来源：Nature Catalysis）

“这是一种新的反应，很难用化学催化剂完成，并且没有天然酶可以催化该反应。在这项工作中，我们创造了一种人工酶，可以实现这种独特的反应。”赵惠民说道。

开发光酶系统，解决合成化学中的长期挑战

研究团队包括来自先进生物能源和生物产品创新中心（CABBI）、伊利诺伊大学香槟分校化学和生物分子工程系（ChBE）以及中国厦门大学的研究人员。该项目由 CABBI 的 Zhengyi Zhang 以及厦门大学化学化工学院的 Jianqiang Feng 和王斌举共同领导。Zhengyi Zhang 是 ChBE 赵惠民教授的博士后研究助理，也是 CABBI 转化主题负责人，以及 Carl R. Woese 基因组生物学研究所 (IGB) 的成员。

他们的工作重点是加氢胺化，这是一种复杂的化学反应。

加氢胺化涉及将氨基（与一个或两个氢原子键合的氮原子）添加到不饱和有机化合物中。目前，加氢胺化反应可以通过金属催化剂或光催化剂进行，这些催化剂是用于加速化学反应的物质。虽然光催化比其他方法具有优势，使用光作为能源，并且无需使用昂贵且有毒的金属，但由于难以控制氮中心自由基，它之前尚未应用于手性胺的分子间加氢胺化反应中——催化过程中的关键中间体。

▲图丨催化对映选择性分子间自由基氢胺反应（来源：Nature Catalysis）

为了解决这个问题，研究小组转向天然酶——在生物体中发现的蛋白质，可以催化生物催化过程中的反应。天然酶可以产生和控制各种生物过程的自由基。生物催化的高选择性使研究人员能够部署酶来作用于特定的底物并创造有价值的目标产物。赵惠民的实验室已经成功地利用光催化控制这一过程，以产生新的酶反应性。

在这项研究中，CABBI 研究人员选择了烯还原酶，他们之前曾将其与其他底物一起使用以实现不同的反应。他们成功地利用自然光重新利用烯还原酶，以实现具有优异对映选择性（靶向称为对映体的镜像分子的能力）的分子间自由基氢胺化。

脂肪酸升级为手性胺，高价值生物制造平台

这项研究清楚地表明，生物催化与光催化的结合有可能解决合成化学中的长期挑战，并为新型合成方法的开发带来更多的多样性。

CABBI 的研究人员将由此开发将能源草的叶和茎转化为高价值制造产品的高效方法。他们发现，从植物生物质中提取的脂肪酸可以很容易地转化为本研究中使用的不饱和化合物，因此有可能升级为手性胺。

更广泛地说，这种新光酶系统的发现原则上证明了手性胺（其他有价值分子的前体）可以在实验室中由脂肪酸衍生材料生产。一方面，它为脂肪酸的生物质利用和升级提供了一种策略；另一方面，它为生物制造提供了一个有前途的平台。接下来，研究人员将进一步研究将脂肪酸升级为手性胺，可用于生产农用化学品和其他分子和材料。

赵惠民表示，希望公司能够使用研究团队开发的新方法来制造他们的产品。

不过，文章讨论中指出了这种反应在实际应用中的一个局限是，与酶的天然反应活性相比，其周转次数较低；酶的活性位点大小有限，无法容纳带有笨重取代基团的底物；自由基中间产物不稳定；以及底物在水介质中的溶解性较差。

作者表示，通过进一步对酶进行定向进化，优化其光学特性，提高其与底物、中间体和有机溶剂的兼容性，有可能提高该反应的周转次数。另一个限制因素是需要使用纯化的酶，这有可能通过宿主细菌的新陈代谢工程得到改善，以尽量减少涉及细胞中其他成分的副反应。