三氟甲基（-CF3）是现代医药化学中至关重要的功能团，其引入能够显著提升有机化合物的代谢稳定性、疏水性及生物利用度，因此在药物开发中被广泛应用。然而，当前大部分三氟甲基化的研究聚焦于化学合成路径，而生物催化领域中针对三氟甲基化的探索依然较少。尽管一些天然酶被重新设计用于氟烷基化，（图1a）但直接将三氟甲基功能团引入目标分子的生物催化体系仍是一大挑战。（图1b）针对这一问题，本研究尝试通过使用非血红素铁酶（如来源于定向进化的羟基扁桃酸合成酶，AoHMS），实现三氟甲基自由基的生成及其用于烯烃的对映选择性三氟甲基叠氮化反应，从而为酶促有机氟化学开辟新的催化模式。
图片来源：JACS
本研究开发了一种新型的生物催化平台，通过非血红素铁酶催化实现三氟甲基自由基生成并导向其参与对映选择性的烯烃双功能化反应。（图1c）研究团队首先建立了基于Staudinger连接的高通量筛选平台，用以快速评估酶变体在非天然转化过程中的活性表现。在此基础上，通过定向进化对羟基扁桃酸合成酶进行多轮优化，筛选出能够有效催化三氟甲基叠氮化反应的高效酶变体。同时，通过调整超价碘试剂的种类，研究还实现了五氟乙基叠氮化和双叠氮化反应的扩展应用。最终，酶的改造实现了从底物到产物高达96:4的对映选择性以及73%的收率，展现了非血红素铁酶在自由基转化中的潜力。
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该研究填补了当前生物催化领域在三氟甲基化反应中的空白，为酶促氟化学的发展提供了新工具。其次，通过开发一种灵活的酶促平台，该方法不仅展示了三氟甲基叠氮化的应用潜力，还通过调整反应条件实现了其他类型自由基反应的扩展，为未来的功能分子合成提供了多样化的可能性。此外，本研究也进一步验证了通过定向进化优化天然酶以适应非天然化学反应的可行性，这对于拓宽生物催化的化学空间具有启发性。综上，这项工作不仅推动了酶催化在氟化学中的应用，也为复杂分子的对映选择性合成开辟了新路径。
标题：Biocatalytic Generation of Trifluoromethyl Radicals by Nonheme Iron Enzymes for Enantioselective Alkene Difunctionalization
作者：James G. Zhang,§ Anthony J. Huls,§ Philip M. Palacios, Yisong Guo,* and Xiongyi Huang*
链接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c14310
