第一作者：Xiaoqiang Huang，Binju Wang（共同第一作者）
通訊作者：Huimin Zhao
通訊單位：伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校
研究要點：
1. 通過烯還原酶/光協同催化系統，合成了常規化學合成方法難以得到的γ-位點上對映中心的羰基（酮、酰胺、酯）分子。
2. 擴展了酶催化反應的種類，在酶合成過程中在光催化劑幫助條件中實現分子間烯烴氫烷基化反應。
3. 該反應中無需加入貴金屬光催化劑，通過在酶和反應物之間形成具有可見光吸光能力的電子供體-受體加合物進行。
研究背景
酶催化在不對稱有機合成中的應用正快速發展，酶催化的應用通常有局限性，只有天然存在的酶才能進行。最近光催化的發展顯示使用現有的酶能體現出不同的反應活性，但是通過酶催化對兩個分子之間的反應仍未見報道。
傳統的烯還原酶（ene-reductase）的反應中不存在光的作用，通過雙電子還原反應進行，對羰基取代烯烴分子進行反應，該酶催化劑中通過組氨酸和天冬酰胺（或者兩個組氨酸）位點和分子中的羰基結合，酪氨酸（tyrosine）作為供氫分子，黃素單核苷酸氫醌FMN在和GDH/NADP+/葡萄糖反應過程中得以循環。
擬解決或者擬探索的關鍵問題
在酶催化劑反應中構建了光的催化作用。這個反應是通過化學催化方法難以實現的過程。反應機理研究結果顯示，底物通過和烯還原酶配合，在酶催化活性位點上通過光催化進行對映選擇性的自由基反應。本工作的意義在于擴展了光催化和生物酶催化配合進行手性催化反應。
核心內容
有鑒于此，伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校Huimin Zhao等作為通訊作者和廈門大學的研究者等報道了烯還原酶（ene-reductase）/光催化作用中的分子間自由基加氫烷基化（hydroalkylation）反應，該反應中通過端烯分子和α-鹵化羰基分子之間的反應，這個反應中以達到99 %的產率和99 % ee值實現了γ-位點上對映中心結構的羰基產物分子。
圖1. 反應設計scheme
要點1. 反應實施
反應構建。將烯還原酶簡化為OYE1中間體。在該中間體中，黃素單核苷酸氫醌（flavin mononucleotide hydroquinone, FMN）作為光催化劑，通過His191和Asn194和反應物分子間形成氫鍵作用，Tyr196作為供氫分子。在藍光LED光照和N2保護中進行反應。
圖2. 反應優化
要點2. 底物拓展
作者對α-溴代芳基酮的種類進行拓展，結果顯示多種底物都有較好的反應性，并且反應對芳環上的電子效應兼容，對不同電子效應的芳環底物以74~99 %的產率和93~98 % ee值得到γ-手性碳的酮。反應對包括1,3-二酯、酯、酰胺類的羰基官能團有兼容性。OYE1在芳基酮的反應中是效果最好的酶，YersER在酰胺中效果較好，XenA在酯的反應中效果最好。α-氯苯乙酮和溴化物的反應結果類似，但是α-氯酯、α-氯酰胺的反應活性比對應的溴化物反應活性更低。
作者對烯烴的種類進行拓展，結果顯示不同的α-甲基取代的芳基烯烴有較好的反應活性，能以58~83 %的產率和97~98 % ee值進行反應，同時反應物對炔、α-乙基芳基官能團有兼容性，但是對應的產率偏低，分別為72 % ee 47 %產率和77 % ee 62 %產率進行反應。
圖3. 反應底物拓展
要點3. 反應機理
首先，GDH將NADP+還原為NADPH，同時將葡萄糖氧化為葡萄糖酸。隨后，NADPH將氫遞送給烯還原酶上的FMN，生成FMNH-。α-鹵代羰基化合物通過氫鍵作用結合在酶的位點上，并和FMNH-發生作用生成電子供體-受體EDA復合物（electron donor-acceptor）。這種EDA復合物受光激發，通過單電子轉移過程進行反應，同時脫除羰基α-碳上的鹵原子，生成FMNH·和α-羰基自由基，隨后α-羰基自由基和烯烴分子進行加成反應，并在烯還原酶的立體控制作用中對FMNH·進行抓氫反應，生成FMN和手性產物。
作者通過時間分辨DFT方法結合電荷密度差分對光催化反應過程進行研究，結果顯示包括FMNH-的π軌道向π*軌道間的電荷轉移激發態能量變化處在可見光范圍內，同時能夠非常容易的進行碳-鹵鍵切斷生成苯甲酰基自由基。苯甲酰基自由基和烯烴之間的反應能壘僅僅為2.6 kcal/mol（與之相比，分子內的脫鹵過程能壘更高，達到4.4 kcal/mol）。
圖4. 可能的反應機理
要點4. 展望
本工作的意義在于展現了烯還原酶在光激發過程中進行手性催化，為烯的手性轉化提供了經驗和方法。通過生物質相關的醇出發轉化為烯烴，并通過這種反應合成高附加值的化學品。除了烯還原酶，其他的含有黃素輔酶的酶（比如光脫羧酶）同樣可能在可見光作用中進行類似的光催化/酶催化協同過程。
要點5. 前期工作
該工作是基于之前類似酶體系進行的反應，之前的反應中需要加入Ir光催化劑，并且該反應為單分子還原反應。
圖5. 前期工作. Zachary C. Litman, Yajie Wang, Huimin Zhao* & John F. Hartwig*, Cooperative asymmetric reactions combining photocatalysis and enzymaticcatalysis Nature 2018, 560, 355. DOI：10.1038/s41586-018-0413-7
參考文獻及原文鏈接
Xiaoqiang Huang, Binju Wang, Yajie Wang, GuangdeJiang, Jianqiang Feng & Huimin Zhao*. Photoenzymatic enantioselective intermolecularradical hydroalkylation, Nature 2020
DOI：10.1038/s41586-020-2406-6
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2406-6
作者簡介
趙惠民博士是伊利諾伊大學香檳分校的化學工程、生物化學、生物物理學和生物工程學教授。1992年于中國科技大學獲得學士學位，1998年于加州理工學院畢業并獲得博士學位（導師：Frances Arnold教授）。2008年，獲得全職教授。他的主要研究興趣在于合成生物工具的開發和應用，以解決社會在健康、能源和可持續性方面最嚴峻的挑戰，以及酶催化、細胞代謝、基因等基本方面的挑戰。
