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Using enzymes to tame nitrogen-centred radicals for enantioselective hydroamination

化学 氢胺化 激进的 对映选择合成 氮气 组合化学 催化作用 有机化学
作者
Yuxuan Ye,Jingzhe Cao,Daniel G. Oblinsky,Deeptak Verma,Christopher K. Prier,Gregory D. Scholes,Todd K. Hyster
出处
期刊:Nature Chemistry [Springer Nature]
卷期号:15 (2): 206-212 被引量:115
标识
DOI:10.1038/s41557-022-01083-z
摘要

The formation of C–N bonds—of great importance to the pharmaceutical industry—can be facilitated enzymatically using nucleophilic and nitrene transfer mechanisms. However, neither natural nor engineered enzymes are known to generate and control nitrogen-centred radicals, which serve as valuable species for C–N bond formation. Here we use flavin-dependent ‘ene’-reductases with an exogenous photoredox catalyst to selectively generate amidyl radicals within the protein active site. These enzymes are engineered through directed evolution to catalyse 5-exo, 6-endo, 7-endo, 8-endo, and intermolecular hydroamination reactions with high levels of enantioselectivity. Mechanistic studies suggest that radical initiation occurs via an enzyme-gated mechanism, where the protein thermodynamically activates the substrate for reduction by the photocatalyst. Molecular dynamics studies indicate that the enzymes bind substrates using non-canonical binding interactions, which may serve as a handle to further manipulate reactivity. This approach demonstrates the versatility of these enzymes for controlling the reactivity of high-energy radical intermediates and highlights the opportunity for synergistic catalyst strategies to unlock previously inaccessible enzymatic functions. Expanding the biocatalysis toolbox for C–N bond formation is of great value. Now, a biocatalytic amination strategy using a new-to-nature mechanism involving nitrogen-centred radicals has been developed. The transformations are enabled by synergistic photoenzymatic catalysis, providing intra- and intermolecular hydroamination products with high yields and levels of enantioselectivity.
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