エナンチオ選択的な三重ラジカル分類のための相乗的光バイオ触媒作用

Concepts de base

光レドックス触媒と指向性進化したチアミン依存性酵素を組み合わせることで、エナンチオ選択的な三成分ラジカルクロスカップリングを実現する光バイオ触媒システムを開発し、高いエナンチオ選択性で複雑なケトン化合物を合成することに成功した。

Résumé

研究の概要

本論文は、光触媒と酵素触媒を組み合わせた、エナンチオ選択的な三成分ラジカルクロスカップリング反応に関する研究論文である。

研究の背景

多成分反応は、複雑な化合物を効率的に合成できる強力な手法であるが、複数の基質、特に複数のラジカル中間体を扱う必要があるため、酵素を用いた反応系への応用は困難であった。近年、化学触媒を用いたラジカル分類が注目されているが、ラジカルの立体化学制御が困難なため、エナンチオ選択的な反応の開発は困難であった。

研究内容

本研究では、チアミン依存性酵素を指向性進化させ、光レドックス触媒と組み合わせることで、エナンチオ選択的な三成分ラジカルクロスカップリング反応を開発した。この反応系では、アルデヒド、α-ブロモカルボニル化合物、アルケンの3種類の基質から、エナンチオマー過剰率の高いケトン化合物を合成することができる。また、反応機構解析により、光触媒と酵素触媒が協調的に作用することで、3種類のラジカル中間体の反応性を制御していることが明らかになった。

研究成果

本研究で開発した反応系は、幅広い基質に対して適用可能であり、25例において97%以上のエナンチオマー過剰率を達成した。本研究成果は、複雑な構造を持つ光学活性化合物の効率的な合成法を提供するものであり、医薬品や農薬などの開発に貢献することが期待される。

Stats

25例において97%以上のエナンチオマー過剰率を達成

Citations

"Multicomponent reactions – those where three or more substrates combine into a product – have been highly useful in rapidly building chemical building blocks of increased complexity4, but achieving this enzymatically has remained rare."
"Here, we repurpose a thiamine-dependent enzyme10,11 through directed evolution, combine it with photoredox catalysis, to achieve a photobiocatalytic enantioselective three-component radical cross-coupling."

Idées clés tirées de

Synergistic photobiocatalysis for enantioselective triple radical sorting - Nature

by Zhongqiu Xin... à www.nature.com 11-21-2024

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08399-5

Questions plus approfondies

本研究で開発された光バイオ触媒システムは、他の種類の反応に応用できるだろうか？

本研究で開発された光バイオ触媒システムは、チアミン依存性酵素と光レドックス触媒を組み合わせることで、アルデヒド、α-ブロモカルボニル、アルケンの3つの基質からエナンチオ選択的なケトンを合成しています。このシステムは、ラジカル中間体を経る反応に適用可能であり、特に複数のラジカル種が関与する反応において有用であると考えられます。
具体的には、以下のような反応への応用が期待されます。

炭素-炭素結合形成反応: 本システムは、ラジカル付加反応による炭素-炭素結合形成反応に応用できる可能性があります。例えば、アルケンへのラジカル付加反応や、環化反応などが考えられます。
炭素-ヘテロ原子結合形成反応: 本システムは、炭素-酸素結合や炭素-窒素結合などの炭素-ヘテロ原子結合形成反応にも応用できる可能性があります。
複雑な骨格の構築: 多成分反応を用いることで、複雑な骨格を持つ化合物を効率的に合成することができます。本システムは、このような複雑な骨格の構築にも応用できる可能性があります。
ただし、本システムを他の反応に適用するためには、酵素の基質特異性や反応条件などを最適化する必要があります。また、反応機構を詳細に解析することで、より広範な反応への応用が可能になると考えられます。

酵素反応は一般的に温和な条件下で行われるが、本研究では光触媒を用いているため、反応条件が厳しくなっている可能性はないだろうか？

本研究で使用されている光触媒は、可視光に応答するものが用いられている可能性が高いです。可視光はエネルギーが低いため、酵素を変性させるリスクは低いと考えられます。さらに、反応条件としては、溶媒や温度などが挙げられますが、これらの条件は酵素反応に適した温和な条件に設定されていると考えられます。
また、本研究では、酵素と光触媒を組み合わせることで、それぞれの触媒の利点を活かした反応系を構築しています。具体的には、酵素の高い選択性と光触媒の高い反応性を組み合わせることで、従来の反応では困難であったエナンチオ選択的な多成分ラジカル反応を実現しています。
したがって、本研究で開発された光バイオ触媒システムは、温和な条件下で効率的に反応が進行すると考えられます。

自然界では、複数の酵素が協調的に作用することで複雑な代謝経路を制御しているが、本研究の成果は、人工的な代謝経路の構築にどのような示唆を与えるだろうか？

本研究の成果は、人工的な代謝経路の構築において、複数の触媒を組み合わせることで、複雑な反応を制御できる可能性を示唆しています。
自然界の代謝経路では、複数の酵素が協調的に作用することで、複雑な反応を制御し、必要な化合物を合成しています。本研究で開発された光バイオ触媒システムは、酵素と光触媒という異なる触媒を組み合わせることで、自然界の代謝経路を模倣し、複雑な反応を制御できる可能性を示しています。
具体的には、以下のような示唆を与えていると考えられます。

異なる触媒の組み合わせ: 酵素と光触媒のように、異なる触媒を組み合わせることで、それぞれの触媒の利点を活かした反応系を構築できる可能性があります。
反応の段階的な制御: 複数の触媒を組み合わせることで、反応を段階的に制御し、目的の化合物を選択的に合成できる可能性があります。
人工的な代謝経路の構築: 本研究の成果を応用することで、自然界には存在しない、新規な化合物を合成する人工的な代謝経路を構築できる可能性があります。
本研究の成果は、人工的な代謝経路の構築に向けた新たなアプローチを提供するものであり、今後の発展が期待されます。