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Photoenzymatic Csp 3 –Csp 3 bond formation via enzyme-templated radical–radical coupling

黄素组 化学 组合化学 反应性(心理学) 烷基 脱羧 半醌 生物催化 氧化还原 计算化学 卤化物 分子 偶联反应 反应机理 酶催化 催化作用 有机合成 光化学 黄素单核苷酸 小分子 还原消去 化学计量学 立体化学 激进的 有机催化 有机化学 QM/毫米 二聚体 均相催化 级联反应 选择性
作者
Yi Liu,Daniel G. Oblinsky,Gianluca Dell’Orletta,Nico Di Fonte,Damien Sorigue,Claire G. Page,Isabella Daidone,Gregory D. Scholes,Todd K. Hyster
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:123 (7): e2529018123-e2529018123
标识
DOI:10.1073/pnas.2529018123
摘要

Cross-couplings are essential reactions in modern chemical synthesis, enabling the rapid construction of complex molecules from simple precursors. Transition metal catalysts are prized for these transformations because their reactivity and selectivity can be tuned via judicious selection of the metal and ligand. Although enzymes offer analogous opportunities for tuning via protein engineering, their application to cross-coupling remains limited, as nature relies on alternative paradigms for building molecular complexity. Here, we report the cross-coupling of alkyl halides and benzylic carboxylic acids using an engineered flavin-dependent lactate monooxygenase—a photoenzyme. The enzyme achieves this feat by exploiting the redox versatility of the flavin cofactor. Stoichiometric experiments, ultrafast spectroscopy, and computational studies support a mechanism in which photoexcited flavin quinone initiates the reaction via oxidative decarboxylation to generate a benzylic radical. The resulting flavin semiquinone can reduce the alkyl halide to form a second organic radical within the protein active site, which rapidly engages in C(sp 3 )–C(sp 3 ) bond formation. A variant was engineered to control the stereochemical outcome of this radical–radical coupling event, highlighting the ability of the protein to alter the energetic barrier for a mechanistic step that is traditionally understood to be near barrierless. This work demonstrates that the scope for nonnative reaction mechanisms in biocatalysis far exceeds previously established bounds and has potential to solve a variety of reactivity challenges in cross-coupling chemistry.
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