普林斯顿大学，Nature！

研究背景

C–N键的形成是化学合成中至关重要的反应，尤其在小分子药物和农药中，氮杂环的普遍存在使得这一领域备受关注。然而，未活化烯烃的氢胺化反应在制备全取代碳立体中心时面临着显著的挑战，尤其是在不对称合成的实现上。此外，传统的过渡金属催化剂在构建立体位阻较大的C–N键方面效果不佳。尽管自由基中间体的反应具有官能团耐受性，但这些反应主要生成反Markovnikov产物，并难以实现所需的不对称性。

成果简介

为此，普林斯顿大学Felix C. Raps，Todd K. Hyster等携手在Nature期刊上发表了题为“Emergence of a distinct mechanism of C–N bond formation in photoenzymes”的最新论文。研究者们开始探索酶催化的氢胺化反应，以期克服这些固有的局限性。近期的研究表明，利用光酶的独特机制能够提供一种新颖的C–N键形成方式。例如，本工作通过蛋白质工程改造酶，开发出了一种光酶催化的氢胺化反应，成功合成了2,2-二取代的吡咯烷，并实现了优良的产物产率和选择性。这一研究利用了酶微环境中的特殊相互作用，开启了新机制的探索，并为非自然反应提供了可能的解决方案。

研究亮点

1. 实验首次实现了光酶催化的烯烃氢胺化反应，成功合成了2,2-二取代的吡咯烷。该反应利用了Baeyer-Villiger单氧化酶，通过蛋白质工程优化得到的突变体显示出优良的产物产率和立体选择性，充分展示了酶作为化学合成支架的潜力。

2. 实验通过对酶微环境的调控，揭示了一种新颖的C–N键形成机制。与传统的光化学氢胺化不同，该机制利用了还原生成的苯基自由基与氮原子的孤对之间的反键相互作用，从而降低了自由基的氧化电位，促进了与黄素辅因子的电子转移。分子动力学模拟进一步支持了底物在酶活性位点中的相互作用，强调了酶在非自然生物催化中的独特机制。

3. 本研究展示了通过蛋白质工程增强涌现机制的潜力，为化学合成中的未解挑战提供了独特的机制解决方案。酶的多样性和高反应性使其成为不活化胺和烯烃氢胺化反应的理想催化剂，尽管目前尚未发现具有相似催化能力的生物催化剂。

图文解读

结论展望

本文的研究为酶催化的化学合成提供了新的视角，揭示了酶在非自然反应中所展现的涌现机制。通过对光酶反应的深入探讨，研究者成功实现了未活化烯烃与胺的氢胺化反应，构建了具有优良选择性和产率的2,2-二取代吡咯烷。这一发现不仅克服了传统金属催化剂在立体位阻较大键构建中的局限性，还展示了通过蛋白质工程优化酶的潜力。

研究表明，酶的微环境对新型C–N键形成机制至关重要，且酶内部的反应条件能够促使自由基反应遵循不同于已知机制的途径。这为未来设计具有独特机制的新型生物催化剂提供了理论基础。同时，通过分子动力学模拟验证了底物在酶活性位点的行为，进一步支持了这一创新机制的存在。这项研究拓宽了非自然反应中酶的应用范围，展示了酶催化在合成化学中的巨大潜力，期待在更广泛的化学合成挑战中取得突破。

文献信息

Raps, F.C., Rivas-Souchet, A., Jones, C.M. et al. Emergence of a distinct mechanism of C–N bond formation in photoenzymes. Nature (2024).