Ein „Werkzeugkasten an Biokatalysatoren“ verbessert die Kontrolle über freie Radikale

Eine der zentralen Herausforderungen für Synthesechemiker besteht darin, freie Radikale unter Kontrolle zu bringen. Hochreaktive Moleküle mit einem ungepaarten Elektron, freie Radikale, sind Ihnen vielleicht bekannt; Dies sind die Arten von Molekülen, für die wir Antioxidantienpräparate einnehmen, um oxidativen Stress zu bändigen.

In der Welt der synthetischen Chemie sind freie Radikale jedoch vielversprechend.

„Die Chemie freier Radikale ist sehr nützlich für die Synthese sowohl bioaktiver kleiner Moleküle als auch alltäglicher Polymere“, sagte Yang Yang, Chemieprofessor an der UC Santa Barbara, Autor eines Artikels zu diesem Thema, der in erscheint Naturkatalyse. „Die Durchsetzung einer Stereokontrolle über durch freie Radikale vermittelte Reaktionen ist der Gemeinschaft der asymmetrischen Katalyse jedoch jahrzehntelang entgangen. Wir versuchen, biokatalytische Strategien zu entwickeln, um die Grenzen der Chemie freier Radikale weiter zu verschieben.“

Um das synthetische Potenzial freier Radikale vollständig auszuschöpfen, konzentrieren sich Yang und Kollegen auf die Stereochemie – auch bekannt als 3D-Chemie, die sich auf die dreidimensionale Ausrichtung von Atomen und Molekülen konzentriert.

Die Stereochemie organischer Moleküle hat einen erheblichen Einfluss auf deren Eigenschaften. Beispielsweise ist (S)-Carvon oder „linkshändiges“ Carvon der Hauptbestandteil, der für den charakteristischen Geruch von Minze verantwortlich ist. Im Gegensatz dazu kommt (R)-Carvon oder „rechtshändiges“ Carvon in Kümmel vor und hat einen völlig anderen Geruch. Daher ist die präzise Kontrolle der Stereochemie ein Hauptziel der synthetischen Chemie. Um dies zu erreichen, griffen Chemiker auf Katalysatoren zurück, Substanzen, die chemische Reaktionen ermöglichen, ohne dabei selbst verbraucht oder umgewandelt zu werden, und sie so wiederverwendbar machen.

Diese Art der Stereokontrolle zu erreichen, ist keine leichte Aufgabe. „Im Allgemeinen ist es sehr schwierig, freie Radikale in die gewünschte Stereochemie zu lenken“, sagte Yang. Einmal gebildete freie Radikale interagieren nicht mehr eng mit dem Katalysator. Darüber hinaus sind diese Radikale in einem anderen Sinne im Wesentlichen frei – sie können sich schnell von potenziell reaktiven Stellen entfernen.

Aber Yang und seine Mitarbeiter haben ein paar Tricks im Ärmel: Metalloenzyme – natürlich vorkommende Proteine ​​mit einem reaktiven Metallzentrum, die in der Lage sind, diese freien Radikale für selektive Umwandlungen zu erzeugen und einzudämmen.

„In diesem Artikel lösen wir speziell ein Problem auf diesem Gebiet, nämlich wie man die stereoselektive Addition einer Radikalspezies an eine aromatische Verbindung steuern kann“, sagte Yang. „Das Radikal leitet sich in diesem Fall vom racemischen Ausgangsmaterial ab.“

Hier kommt die dreidimensionale Chemie ins Spiel. „Racemisch“ bedeutet, dass das Material zu gleichen Teilen aus „linkshändigen“ und „rechtshändigen“ (auch als „chiral“ bezeichneten) Molekülen besteht – asymmetrischen Molekülen, die aus den gleichen Atomen bestehen, also chemisch identisch, aber Spiegelbilder voneinander sind. Sie können sie wie Ihre Hände spiegelbildlich aufeinander abstimmen, aber Sie können sie nicht mit der gleichen Ausrichtung übereinander legen. Was unter normalen Umständen für Enzyme ein Problem darstellen würde.

„Enzyme gelten weithin als sehr spezifische Katalysatoren“, sagte Yang. „Wenn die Enzyme so spezifisch sind, was in der Natur oft vorkommt, kann das Enzym nur eine enantiomere Form einer chiralen Verbindung erkennen und umwandeln“, sagte Yang. „Und oft akzeptiert das Enzym sein Spiegelbild nicht.

„Aber in unserer Arbeit“, fuhr Yang fort, „haben wir ein Enzym entwickelt, das sowohl die linkshändige als auch die rechtshändige Form des Ausgangsmaterials akzeptieren und diese Ausgangsmaterialien dann mit ausgezeichneter Selektivität in dasselbe Hauptenantiomerprodukt umwandeln kann.“

In ihrer Arbeit verwendeten die Forscher ein eisenabhängiges Enzym, um hochreaktive Radikalspezies zu produzieren. Durch gerichtete Evolution konstruierten sie eine Reihe selektiver Eisenenzyme, um entweder das linksdrehende oder das rechtsdrehende Produkt mit ausgezeichneter Selektivität herzustellen. Darüber hinaus können die Forscher mit einem dritten, „kinetischen Auflösungs“-Enzym das linksdrehende Ausgangsmaterial selektiv umwandeln, während das rechtsdrehende Ausgangsmaterial unberührt bleibt.

„Wir verfügen also über einen Werkzeugkasten an Enzymen, der verschiedene Arten der Stereokontrolle für die radikalische Funktionalisierung aromatischer Verbindungen ermöglicht“, sagte Yang. „Und doch unterscheiden sich diese Enzyme nur durch wenige Mutationen voneinander.“ Yang hofft, dass dieser wachsende Werkzeugkasten an Biokatalysatoren anderen dabei helfen wird, ihre 3D-Chemie besser zu kontrollieren, ein klassisches Problem, mit dem organische Chemiker weiterhin konfrontiert sind.

„Unsere Metalloenzyme bieten eine potenziell allgemeine Lösung zur Kontrolle der Selektivität freier Radikale“, sagte Yang. „Diese von uns entwickelten biokatalytischen Lösungen werden hoffentlich die Synthese und Untersuchung chiraler Verbindungen in Wissenschaft und Industrie erleichtern.“