作者：石油醚
本期热点研究，我们邀请到了本文共同第一作者，来自德国马克思普朗克煤炭研究所的罗娜博士为我们分享。
2024年7月31日，Nature在线发表了来自德国马克思普朗克煤炭研究所Benjamin List课题组题为「The catalytic asymmetric polyenecyclization of homofarnesol to ambrox.」的研究论文。作者发现在氟代溶剂存在下，结合具有强Brønsted酸性和空间受限的亚氨基双磷酰亚胺酯IDPi催化，通过不对称多烯烃环化，成功以良好的产率、优异的对映和非对映选择性合成乐（-）-龙涎香醚和倍半萜内酯天然产物（+）-香紫苏内酯。
“The catalytic asymmetric polyenecyclization of homofarnesol to ambrox.
Na Luo, Mathias Turberg, Markus Leutzsch, Benjamin Mitschke, Sebastian Brunen, Vijay N. Wakchaure, Nils Nöthling, Mathias Schelwies, Ralf Pelzer, Benjamin List*.
Nature，2024, 632, 795–801. Doi: 10.1038/s41586-024-07757-7.”
Q1. 请对“The catalytic asymmetric polyenecyclization of homofarnesol to ambrox.”作一个简单介绍。
多烯环化反应是指将简单的非环状前体通过一步反应构建具有多个碳碳键以及多个立体中心的多环产物的反应。在此反应中同时实现产物分布和立体化学的精确控制对化学家来说是一项艰巨的任务，尤其将(3E,7E)-homofarnesol通过多烯环化转化为具有龙涎香味的(−)-ambrox是化学合成中一直以来的挑战。我们发现在氟代溶剂中，结合具有强Brønsted酸性和受限空间的亚氨基双磷酰亚胺酯IDPi作为催化剂能够以良好的产率以及优异的对映选择性、非对映选择性合成（-）-龙涎香醚和倍半萜内酯天然产物（+）-香紫苏内酯。实验表明该反应主要通过协同途径进行，符合Stork-Eschenmoser假设。IDPi催化剂的微型空腔环境对实现反应的选择性非常重要，而这在此之前只有酶催化能实现这种高选择性。
Q2.在研究的时候遇到过怎样的困难呢？又是怎样克服的呢？
本部分研究工作中，在筛选催化反应条件调控区域选择性和对映选择性的过程中，我付出了艰辛的工作，曾尝试了无数种条件与试剂。在此期间我曾数次怀疑自己，经历多次失败使自己情绪低落。研究工作也一度进展缓慢，但正是这时来自男朋友和家人的鼓励和支持让我及时调整了状态，最终也是逐渐尝试出含氟烷烃作为关键试剂，顺利获得了理想的反应结果。
Q3. 本次研究主体，有没有什么让您感觉特别辛苦和烧脑呢？
有机合成作为实验学科，在研究工作中不仅得经常面对繁杂的实验工作，也得在众多测试数据中分析归纳出有意义的结论。在我的研究工作中，经常涉及反应物存在多个反应位点与手性中心的情况，导致产物可能存在数十个异构体，经常为了确认异构体的结构花费大量的时间。同时也得进一步合成不同性能的催化剂调控反应的选择性。最终得到反应结果后仍然需要利用包括理论计算在内的各种手段进行反应机理验证。在以上整个过程中不仅需要充足的探究精神，也需要对合成策略、物理有机以及仪器科学等方面的学科知识更为深厚的理解，这也是目前我仍需要加强的方向。
Q4. 将来想继续研究化学的哪个方向呢？
目前我主要从事催化不对称合成工作，未来我想拓展出更多新策略、新反应，并且力求开发出有足够潜力应用于工业届的创新合成方法与新颖结构
Q5. 最后，有什么想对各位读者说的吗？
选择做科学研究注定不是一条容易的路，势必会经历无数坎坷与挫折。但是请相信，只要肯坚持自己的理想，一往无前地投入到自己的事业中，一定可以做出一番成就！
作者教育背景简介
教育背景：
2012-2016 湘潭大学 高分子材料与工程专业 学士学位
2016-2021 中国科学院化学研究所 有机化学专业 博士学位 导师： 王其强 研究员
2022-至今 马克思普朗克煤炭研究所 博士后 合作导师： Prof. Benjamin List
获奖经历：
湖南省优秀毕业生
博士生国家奖学金
北京市优秀毕业生
2024年获得洪堡基金会资助
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作者：石油醚
本期热点研究，我们邀请到了本文第一作者，来自加斯坦福大学的张嘉博士为我们分享。
2024年8月5日，J. Am. Chem. Soc.在线发表了来自斯坦福大学的Robert M. Waymouth教授团队题为「Highly Selective O-Phenylene Bisurea Catalysts for ROP: Stabilization of Oxyanion Transition State by a Semiflexible Hydrogen Bond Pocket」的研究论文。在本文中，作者开发了一种新型的O-Phenylene Bisurea (OPBU)催化剂，用于环状开链聚合（ROP）。这种催化剂不仅反应迅速、可调性强，而且选择性优异，比传统催化剂（如硫脲、尿素和TBD）高出8到120倍。OPBU催化剂能在几秒到几分钟内实现超过95%的高转化率，产生分子量精准且分散度极低的聚合物。
“Highly Selective O-Phenylene Bisurea Catalysts for ROP: Stabilization of Oxyanion Transition State by a Semiflexible Hydrogen Bond Pocket
Jia Zhang, Kai Hin Lui, Rachele Zunino, Yuan Jia, Romain Morodo, Niklas Warlin, James L. Hedrick, Giovanni Talarico, Robert M. Waymouth*
J. Am. Chem. Soc. 2024, ASAP, doi: 10.1021/jacs.4c04740”
Q1. 请对“Highly Selective O-Phenylene Bisurea Catalysts for ROP: Stabilization of Oxyanion Transition State by a Semiflexible Hydrogen Bond Pocket”作一个简单介绍。
我们开发了一种新型的O-Phenylene Bisurea (OPBU)催化剂，用于环状开链聚合（ROP）。这种催化剂不仅反应迅速、可调性强，而且选择性优异，比传统催化剂（如硫脲、尿素和TBD）高出8到120倍。OPBU催化剂能在几秒到几分钟内实现超过95%的高转化率，产生分子量精准且分散度极低的聚合物。密度泛函理论（DFT）计算显示，催化剂通过类似于酶催化中的“氧负离子孔洞”的氢键口袋稳定氧负离子过渡态。这些新型催化剂在有机催化领域提供了新的选择，其优越的性能和可调性为控制聚合物合成带来了新的可能性。
In this study, we introduced a new type of O-Phenylene Bisurea (OPBU) catalyst for ring-opening polymerization (ROP). This catalyst is not only fast and easily tunable but also exhibits exceptional selectivity, outperforming traditional catalysts (such as thiourea, urea, and TBD) by 8 to 120 times. OPBU catalysts enable ROP of various monomers, achieving over 95% conversion in seconds to minutes, producing polymers with precise molecular weights and very low dispersity (Đ ≈ 1.01). Density functional theory (DFT) calculations reveal that the catalysts stabilize the oxyanion transition state via a hydrogen bond pocket similar to the “oxyanion hole” in enzymatic catalysis. These new insights provide a new class of organic catalysts with excellent performance and tunability, opening up new opportunities for controlled polymer synthesis.
Q2. 有关本次研究的时候遇到过怎样的困难呢？又是怎样克服的呢
在这项研究中，我们遇到了两个主要困难。首先是如何对选择性进行定量测量。以往文献中报告的新型ROP催化剂通常仅依赖GPC结果，由于GPC的精度有限，难以直接比较不同催化剂的选择性。为了解决这个问题，我们设计了一个实验，以更准确地估算链增长与链转移的选择比，从而实现了对许多之前催化剂的准确比较。
其次，关于DFT计算，我们面临了复杂的挑战。反应物复合物可以形成多种不同的构象，使得计算变得非常复杂。尽管这方面我不是专家，但我们的合作伙伴Rachele Zunino（共同一作）非常出色地解决了这个问题，成功地展示了合理的反应机制。
We encountered two main difficulties in this research. First was developing a quantitative measurement of the selectivity parameter. Previously, new selective ROP catalysts reported in the literature usually relied solely on GPC results, which are not precise enough for good comparison between different catalysts. To address this, we designed kinetic experiments to provide a more accurate estimation of the selectivity ratio of chain growth versus chain transfer, allowing us to make fair comparisons among many previous catalysts.
Second, regarding DFT calculations, we faced challenges due to the many different conformations that reactant complexes can access, making the computations very complex. Although I am not an expert in this area, our collaborator Rachele Zunino brilliantly tackled this issue and was able to demonstrate a reasonable reaction mechanism.
Q3. 本次研究主体，有没有什么让您感觉特别辛苦和烧脑呢？
论文最大的卖点肯定是催化剂的结构设计， 但是研究过程中最耗时且挑战性最大的部分其实是收集可靠的动力学数据和pKa测量。我为了这个课题前后进行了超过一百次动力学实验，打了近千次核磁谱。这些实验对建立关系并深入理解反应机理至关重要。此外，pKa测量也非常困难，因为这些测量需要在极低浓度下进行，并且水分含量必须控制在极低水平，否则会导致测量不准确。这些繁琐的工作确实让人感到非常吃力。
The most time-consuming and overwhelming aspects were gathering reliable kinetic data and pKa measurements. To ensure accurate data, I probably conducted over a hundred kinetic experiments and nearly a thousand NMR runs. These experiments were crucial for establishing relationships and understanding the reaction mechanisms. Additionally, pKa measurements for a library of compounds were challenging due to the need for measurements at very low concentrations and maintaining an exceptionally low level of water/oxygen content to avoid inaccuracies. These tasks were indeed quite laborious and mentally demanding.
Q4. 将来想继续研究化学的哪个方向呢？
我最近刚刚毕业，并且进入了一家涂料公司工作。未来，我的研究将主要集中在开发高性能且环保的涂料上。我希望通过研究和开发新的涂料配方来提高产品的性能，同时减少对环境的影响。
I recently graduated and have started a position at a coatings company. In the future, my research will focus on developing high-performance and eco-friendly coatings. I aim to improve product performance while reducing environmental impact through the development of new coating formulations.
Q5. 最后，有什么想对各位读者说的吗？
我希望我们的研究能够激发更多的科研人员在催化剂设计和功能化学方面的探索。科学研究是一项团队合作的工作，我要特别感谢我的团队成员,尤其是Kai Hin Lui和Rachele Zunino的鼎力相助。希望大家能继续关注和支持我们的研究成果。也祝愿大家科研顺利，多发论文。
I hope our research inspires more scientists to explore catalyst design and functional chemistry. Scientific research is a collaborative effort, and I am especially grateful to my team members and funding agencies for their support. I look forward to continued attention and support for our research results.
论文第一作者简介
教育背景：
- 2014- 2018 Carleton College 化学学士 (advisor: Matthew Whited)
- 2019-2024 Stanford University 化学博士 (advisor: Robert Waymouth)
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作者：石油醚
本期热点研究，我们邀请到了本文第一作者来自福建师范大学滕胜寒博士为我们分享。
2023年9月18日，Angew在线发表了来自南洋理工大学Teck Peng Loh教授团队题为「Thiol-Specific Silicon-Containing Conjugating Reagent: β-Silyl Alkynyl Carbonyl Compounds
」的研究论文。本文中，作者开发了β-硅基炔酮试剂，在不影响硫醇选择性的同时通过硅基的位阻效应来延缓第二次亲核加成反应的发生。此外, 引入硅基官能团可提高偶联试剂的亲脂性，从而增加血脑屏障的通透性，方便药物传递。作者利用β-硅基炔酮试剂实现了生理条件下蛋白质和含硫药物在巯基位点的选择性标记，且产物中可以完整保留含硅片段。
“Thiol-Specific Silicon-Containing Conjugating Reagent: β-Silyl Alkynyl Carbonyl Compounds”
Shenghan Teng, Zhenguo Zhang, Bohan Li, Lanyang Li, Melinda Chor Li Tan, Zhenhua Jia, Teck Peng Loh*
Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202311906. doi:10.1002/anie.202311906”
Q1. 请对“Thiol-Specific Silicon-Containing Conjugating Reagent: β-Silyl Alkynyl Carbonyl Compounds”作一个简单介绍。
生物偶联试剂（bio-conjugating reagent）通过形成化学共价键来结合包括蛋白质在内的生物相关分子。我们在之前的工作中开发了一类炔酮氟硼酸钾盐，对有机胺具有高度选择专一性，借助B–O配位稳定反应产物，并实现了蛋白质在赖氨酸和N-末端位点的多重修饰 (Sci.Adv. 2023, 9, eadg4924)。考虑到含有巯基的半胱氨酸在蛋白质中相对丰度更低，使用硫醇特异性试剂能减少蛋白质在标记位点上的不确定性。当炔酮β-位的硼换成氢原子后，尽管偶联试剂更倾向与硫醇反应，但反应产物却不够稳定，易发生硫醇交换等副反应。因此在该工作中我们开发了β-硅基炔酮试剂，在不影响硫醇选择性的同时通过硅基的位阻效应来延缓第二次亲核加成反应的发生。此外, 引入硅基官能团可提高偶联试剂的亲脂性，从而增加血脑屏障的通透性，方便药物传递。我们利用β-硅基炔酮试剂实现了生理条件下蛋白质和含硫药物在巯基位点的选择性标记，且产物中可以完整保留含硅片段。该成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上 (doi: 10.1002/anie.202311906)。
Q2. 有关本次研究的时候遇到过怎样的困难呢？又是怎样克服的呢。
在蛋白质修饰实验中，一开始我们选择用三甲基硅炔酮作为标记试剂加入到血清白蛋白（serum albumin）中。质谱分析结果显示，目标蛋白在短时间内已实现完全转化，但主要形成了脱硅基的单修饰产物。为了解决反应产物C(sp)–Si键易断裂的问题，我们尝试优化硅原子中心的取代基种类。经过实验筛选发现，当选用两当量的三乙基硅炔酮为标记试剂时，可成功获得硅基保留的单修饰蛋白产物，且对反应效率不造成影响。
Q3. 本次研究主体，有没有什么让您感觉特别辛苦和烧脑呢？
相比于普通的烷基硅炔酮试剂，含硅醚键的炔酮试剂在制备方面遇到了较大的挑战。起初我们选择二甲基硅醚官能团，但因为该结构对酸和碱都很敏感，结果始终合成不出来。之后我们尝试了相对稳定的二异丙基硅醚官能团，并且在纯化分离时用FlorisilÒ代替硅胶，最终找到了可行的合成路线。
Q4. 将来想继续研究化学的哪个方向呢？
元素有机化学（如开发含硅和硼的有机试剂在生物正交化学和有机发光材料中的应用）；过渡金属催化的偶联反应合成一系列有用分子。
Q5. 最后，有什么想对各位读者说的吗？
可以尝试从不同角度看待问题，打破思维定势。
作者教育背景简介
滕胜寒，出生于福建福州，在华东师范大学获得学士学位。2013-2016年在胡文浩教授的指导下进行基于羟鎓叶立德捕捉的反应研究。2016年前往新加坡南洋理工大学，在周建荣研究员课题组攻读博士学位，主要研究过渡金属催化的烯烃官能团化反应。2021年在罗德平院士课题组从事博士后工作，主要研究水相中的有机合成转化。2023年2月加入福建师范大学，目前以第一作者（含共同第一作者）的身份在Science Advances, Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Soc. Rev.和 ACS Catal.等国际知名期刊发表文章9篇。
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作者：石油醚
本期热点研究，我们邀请到本文第一作者来自东华大学的博士研究生李旻昊和王泽溟一起为我们分享。
2023年10月2日，Chem期刊在线发表了来自东华大学左伟伟教授团队题为「Metal Charge-Directed Enantiodivergent Asymmetric Transfer Hydrogenation of Ketones」的研究论文。通常一种构型的配体所组成的催化剂只能制备一种构型的产物，当需要合成相反构型的产物时，以往的策略是通过构型相反的配体及相应的催化剂去构建，而合成手性配体的过程往往是步骤比较繁琐的，且不够经济和环保。但是在该文中，他们在利用胺-亚胺双膦3d金属（铁、钴、镍）配合物催化芳基烷基酮的不对称转移氢化反应时，发现了一种诱导产物产生手性的新机制。
Metal Charge-Directed Enantiodivergent Asymmetric Transfer Hydrogenation of Ketones
Minhao Li, Zeming Wang, Hong Chen, Qing Huang & Weiwei Zuo*,
Chem, 2023, doi: 10.1016/j.chempr.2023.09.004
Q1. 请对“Metal Charge-Directed Enantiodivergent Asymmetric Transfer Hydrogenation of Ketones”作一个简单介绍。
自然界中绝大多数具有药物活性的受体都是有手性的，如何构建手性分子一直是现代有机合成化学、生物化学及药物化学等学科研究的热点问题。手性过渡金属催化剂催化酮、亚胺的不对称氢化反应是构建手性分子的重要手段。虽然过渡金属催化剂催化的不对称反应已经取得巨大进展，但是该类催化剂手性配体的利用效率仍有提升空间。对于催化不对称氢化反应中产物的手性产生过程及机制，目前普遍的共识是：催化剂中的手性配体首先在中心金属周围建立一个手性环境，在决定产物构型的关键过渡态中，底物与手性环境之间的相互作用决定了最终产物的构型及e.e.。然而，作为催化剂核心的过渡金属，其本身物理化学性质在诱导产物建立手性过程中的作用一直被忽视，至今未被探索。我们报道了一种诱导产物产生手性的新机制：与现有的认识不同，在单一构型手性配体的存在下，催化剂中间体（氨基金属氢化物）中心金属电荷性质是决定产物醇的构型及选择性的根本因素。产物构型及e.e.与中心金属Hirshfeld电荷存在线性关系，而与中心金属的种类、氧化态及自旋态无关。基于该机制，利用3d金属丰富的电子结构性质，使用单一构型手性配体，仅依靠添加不同的非手性金属盐制备不同的预催化剂即可同时获得构型相反的两种产物。这避免了传统不对称催化反应中需要使用相反构型配体的过程，直接提高了配体在产物手性诱导中的使用效率。
Q2. 有关本次研究的时候遇到过怎样的困难呢？又是怎样克服的呢
遇到的困难主要在于如何在催化剂中间体中心金属和产物手性之间建立联系，如何捕捉和表征顺磁金属催化剂的中间体，以及涉及到高低自旋态的钴催化剂的DFT计算方法。
解决方法主要是多看文献、多与老师交流想法，大胆提出假设，通过不断地尝试去验证，一步步逼近最终想要的结果。除此之外，我们两个在科研上相互帮助，生活上相互鼓励，一起面对和克服遇到的各种困难，发挥各自的优势，相互配合完成了论文的各项工作。
Q3. 本次研究主体，有没有什么让您感觉特别辛苦和烧脑呢？
一方面是较长周期的零成果对自己的心态造成了影响，尤其是看到周围同学科研周期短出成果快，毕业压力增大导致对自己课题的未来比较迷茫，看不到课题的终点在哪里，有时候都要放弃了又咬牙坚持了下来，感觉这条路能坚持走下来特别辛苦；
另一方面是许多测试表征手段都是现学现用，时间紧任务重，有的甚至都没有参考文献指导，也不知道去哪里能完成测试，只能自己去恶补相关知识，联系各种平台资源，发邮件请教专业人士，这种对完全陌生领域的探索过程比较烧脑。
Q4. 将来想继续研究化学的哪个方向呢？
金属有机和配位化学方向，但是希望是在反应方法学上能有所突破，设计一些新的配体去完成一些新反应，不要拘泥于一种反应类型。
Q5. 最后，有什么想对各位读者说的吗？
基础学科的研究过程往往是枯燥乏味且漫长的，我们要沉下心来脚踏实地的干，除了具有良好的心理素质，耐得住寂寞，还要多读文章、多听报告、多交流来提升自己的科学素养。此外，在实验过程中不要放过任何一个小细节，尤其是针对反常的现象和结果要反复验证、仔细推敲，结合自己所学知识分析原因，在看似杂乱无章的现象中寻找其中蕴含的规律，不要浮于表面去走马观花式搞科研，要深挖现象背后的原理，寻找科研的真谛。
在此要特别感谢左伟伟教授在整个论文工作中的悉心指导和点拨。左伟伟教授2013年在Morris教授课题组工作时以一篇Science开启了廉价金属催化的新纪元，刷新了科研界对廉价金属的认识，回国后继续保持谦虚谨慎不骄不躁的作风，他身上扎根科研、敢想敢做、一丝不苟、泰定求真的精神是值得我们一直学习的。他常常教导我们：肯吃苦，能吃苦，但不提倡一味的埋头苦干；多思考，学无止境，永远要对未知事物保持好奇心和敬畏心；你对待科研的态度决定了你能到达的高度，你思考问题的角度决定了你所涉猎知识面的广度。
作者教育背景简介
| 李旻昊（左） | 王泽溟（右） | ||
| 博士 | 东华大学，先进制造（金属有机催化方向） | 博士 | 东华大学，化学 |
| 硕士 | 河北工业大学，有机化学 | 硕士 | 河北工业大学，有机化学 |
| 本科 | 燕山大学，应用化学 | 本科 | 德州学院，化学 |
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作者：石油醚
本期热点研究，我们邀请到了本文第一作者，来自韩国科学技术院的曹石为我们分享。
2023年10月2日，Angew在线发表了来自韩国科学技术院Sungwoo Hong教授团队题为「Photocatalytic Enantioselective Hydrosulfonylation of α,β-Unsaturated Carbonyls with Sulfonyl Chlorides」的研究论文。在可见光驱动下，作者利用硅自由基介导的卤原子转移(XAT)策略来活化磺酰氯，从而生成磺酰基自由基。机理研究表明，激发的光催化剂可以被手性镍络合物淬灭并生成新的手性镍络合物中间体，其可以与生成的磺酰基自由基结合，以实现α,β-不饱和羰基化合物的不对称砜基化反应。
“Photocatalytic Enantioselective Hydrosulfonylation of α,β-Unsaturated Carbonyls with Sulfonyl Chlorides”
Shi Cao, Doyoung Kim, Wooseok Lee, Prof. Dr. Sungwoo Hong*
Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202312780., doi: 10.1002/anie.202312780.
Q1. 请对“Photocatalytic Enantioselective Hydrosulfonylation of α,β-Unsaturated Carbonyls with Sulfonyl Chlorides”作一个简单介绍。
手性砜普遍存在于天然产物以及药物活性分子中。近年来，手性砜的合成越来越受到有机化学家的关注。在可见光驱动下，我们利用硅自由基介导的卤原子转移(XAT)策略来活化磺酰氯，从而生成磺酰基自由基。在进一步机理研究中，我们发现，激发的光催化剂可以被手性镍络合物淬灭并生成新的手性镍络合物中间体，该中间体可以与生成的磺酰基自由基结合，以实现α,β-不饱和羰基化合物的不对称砜基化反应。此外，我们还将此方法应用于药物分子的后期修饰中，为α-手性砜的合成提供了新的思路。
Q2. 有关本次研究的时候遇到过怎样的困难呢？又是怎样克服的呢
本课题第一个困难是前期反应条件的优化，对于不对称的课题，筛选的条件较多，在这点上消耗了大量的时间，幸运的是，最后得到了一个满意的结果。本课题第二个困难是机理的研究，与以往的机理有些不同，所以验证的时候需要更加细心，从多个方向来验证提出机理的合理性。同时，多与导师以及同事交流，往往问题会得到更快的解决。
Q3. 本次研究主体，有没有什么让您感觉特别辛苦和烧脑呢？
第一个是ee值和产率的同时优化，刚开始ee值达到了90多，可是产率一直上不去，最后经过大量的筛选，产率依旧上不去，最后不得不回过来更改手性配体的类型重新优化产率和ee值，这个过程大概用了三个月。第二个是机理的研究，这个过程要查阅大量的文献，提出不同的机理，大胆假设小心求证，最后得到一个比较满意的解释。
Q4. 将来想继续研究化学的哪个方向呢？
可见光催化目前受到越来越多的关注，希望能够在此方向上发现更多有意义的反应。尽量做到所作的课题能解决一些问题，给阅读的同行一点点启发。
Q5. 最后，有什么想对各位读者说的吗？
做科研要“三多一少”，多做实验，多看文献，多与人交流，少偷懒。做实验尤其重要，化学是实验科学，有时候想的天花乱坠，不如开一个反应，立竿见影。
第一作者教育背景
2022–至今 KAIST, IBS，博士后，Prof. Sungwoo Hong
2017–2021 厦门大学，有机化学，博士（龚磊教授）
2014–2017 厦门大学，无机化学，硕士（章慧教授）
2009–2013 华侨大学，生物工程，学士
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作者：石油醚
本期热点研究，我们邀请到了本文第一作者来自新加坡国立大学的博士生周雪婷为我们分享。
2023年9月19日，Angew在线发表了来自新加坡国立大学化学系卢一新教授团队题为「Enantioselective De Novo Synthesis of α,α-Diaryl Ketones from Alkynes」的研究论文。本文中，作者采用光促进手性膦酸催化炔烃不对称官能团化，发展了一种全新的α,α-二芳基酮不对称合成方法，并将其应用于药物和活性分子的合成。本文为制备手性α,α-二芳基酮开辟了新的道路。
“Enantioselective De Novo Synthesis of α,α-Diaryl Ketones from Alkynes.
Zhou Zhao, Rachel O’Dea, Kim Wendrich, Nafizul Kazi and Malte Gersch*
Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202310078. doi: 10.1002/anie.202310078”
Q1. 请对“Enantioselective De Novo Synthesis of α,α-Diaryl Ketones from Alkynes”作一个简单介绍。
手性α,α-芳基酮广泛存在于生物活性分子中，因此发展合成它们的方法受到了广泛关注。然后，目前的策略主要集中于α,α-烷基芳基酮的不对合成，并且集中于含季碳骨架的构建。对于在合成上更有挑战性的含叔碳手性α,α-二芳基酮的报道特别少，因此我们设计采用光促进手性膦酸催化炔烃不对称官能团化，发展了一种全新的α,α-二芳基酮不对称合成方法，并将其应用于药物和活性分子的合成。
Q2. 有关本次研究的时候遇到过怎样的困难呢？又是怎样克服的呢。
在研究的初期阶段是很艰难的，经过半年的筛选才找到合适的手性膦酸催化剂和混合溶剂体系来达到优异的对映选择性。这个过程虽然困难，但是在这个过程中得到了锻炼，学习到了很多技能。
Q3. 本次研究主体，有没有什么让您感觉特别辛苦和烧脑呢？
是有的，在我们找到合适的手性膦酸催化剂之后，ee值一直停留在80%左右，经过很多尝试，一直都提高不了。经过三个多月的条件系统筛选，依然提高不了，本来就要打算放弃这个课题了，偶然发现别人文章中的混合溶剂，受到了启发，接着通过细调混合溶剂的比例，成功得到了优异的对映选择性。这个过程中锻炼了自己的耐心，要不断思考，会有“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”的快感。
Q4. 将来想继续研究化学的哪个方向呢？
希望继续从事不对称催化方向的研究，并希望能够研究手性的起源，以及与AI结合的不对称催化。
Q5. 最后，有什么想对各位读者说的吗？
欢迎更多化学领域的研究者加入不对称催化的大家庭。
作者教育背景简介
教育背景：
2016-2020西南交通大学 学士
2020-2021新加坡国立大学 硕士
2021-至今 新加坡国立大学 在读博士生
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作者：石油醚
本期热点研究，我们邀请到了本文第一作者来自马克思普朗克分子生理学研究所的博士研究生赵洲为我们分享。
2023年9月15日，JACS在线发表了来自德国马克思普朗克分子生理学研究所Malte Gersch教授团队题为「Native Semisynthesis of Isopeptide-Linked Substrates for Specificity Analysis of Deubiquitinases and Ubl Proteases」的研究论文。在本工作中作者表达纯化出ubiquitin以及其他几种ubiquitin-like protein的C末端进行修饰，得到酰肼的中间体，这一中间体可以通过一步简单的反应制备由赖氨酸连接的荧光偏振底物。
“Native Semisynthesis of Isopeptide-Linked Substrates for Specificity Analysis of Deubiquitinases and Ubl Proteases.
Zhou Zhao, Rachel O’Dea, Kim Wendrich, Nafizul Kazi and Malte Gersch* J. Am. Chem. Soc., 2023, doi: 10.1021/jacs.3c04062”
Q1. 请对“Native Semisynthesis of Isopeptide-Linked Substrates for Specificity Analysis of Deubiquitinases and Ubl Proteases”作一个简单介绍。
在本工作中我们表达纯化出ubiquitin以及其他几种ubiquitin-like protein的C末端进行修饰，得到酰肼的中间体，这一中间体可以通过一步简单的反应制备由赖氨酸连接的荧光偏振底物。至此，我们获得了一系列由异肽键连接的荧光底物，这也是最为接近自然状态的底物。最为关键的是，我们在后续的纯化分离的过程中并不是采用HPLC，而是采用FPLC进行纯化。针对每一种蛋白，我们都优化了不同的纯化策略，使用不同的色谱柱，最终保证蛋白的结构是正确折叠的。圆二色谱的结果也证明我们的底物是具有正确构象的，荧光偏振测试也表明底物可以被相应的蛋白酶完全切割。我们随后对不同的去泛素化酶（DUB）和Ubiquitin-like蛋白酶（ULP）。其中最为值得注意的是USPL1，USP16和USP36。USPL1是一个去SUMO化酶，荧光偏振的实验证明其对SUMO2的选择性大大高于SUMO1。我们又利用结构生物学手段，测定了USPL1和SUMO2/3的晶体结构，进一步分析验证了其选择性的结构基础。而USP16和USP36是已经报道具有去泛素化和去Fubi化酶活，我们的荧光偏振测试表现这两个酶也具有去ISG15酶活，这也是目前报道的仅有的可以具有三重特异性的去泛素化酶。后续我们也会利用这类底物探索更多的酶特异性。
Q2. 有关本次研究的时候遇到过怎样的困难呢？又是怎样克服的呢
基于泛素和泛素样蛋白的探针和底物最大的痛点是蛋白是否可以正确折叠。以往制备这类底物需要使用有机溶剂进行纯化分离，冻干后溶解在DMSO中，最后再稀释到缓冲液中，而这一过程中很大一部分蛋白无法重新折叠，这意味着这部分蛋白无法被相应的蛋白酶识别，直接导致生物活性测试的结果无法定量研究。而我们经过大量尝试，综合利用尺寸排阻色谱，离子交换色谱以及疏水相互作用色谱等技术，获得了纯度高且质量优的荧光偏振底物。这种策略也可以进一步用于其他高质量底物和探针的开发工作中。
Q3. 本次研究主体，有没有什么让您感觉特别辛苦和烧脑呢？
蛋白纯化是最为痛苦的环节。因为蛋白接上了的TAMRA后，其性质变化很大，很容易在特定的pH析出。所以我们试了很多溶液和不同的色谱柱。目前我们仍在优化纯化的方法，期待可以得到更为通用的方法并且探索其他ubiquitin-like protein。
Q4. 将来想继续研究化学的哪个方向呢？
本人博士期间主要研究去泛素化酶，这类酶可能是很好的药物研发靶点，希望后续能开展一些药物筛选的工作，发现具有全新机制的调节剂作为化学探针或者药物研发的先到化合物。
Q5. 最后，有什么想对各位读者说的吗？
如果感兴趣我们的底物，可以联系我们。
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作者：石油醚
本期热点研究，我们邀请到了本文第一作者来自曼彻斯特大学的赵景明博士为我们分享。
2023年9月9日，JACS在线发表了来自曼彻斯特大学Green团队题为「Mapping the Initial Stages of a Protective Pathway that Enhances Catalytic Turnover by a Lytic Polysaccharide Monooxygenase」的研究论文。和约克大学Walton组通过合作捕捉并表征了LsAA9 LPMO氧化反应中产生的两个串联模式的重要中间体Int1和Int2，通过停流光谱，定点变异，高分辨X射线吸收光谱，电子顺磁光谱的实验手段结合TD-DFT理论计算，提出Int1可能的化学结构为铜-组氨酸自由基（Cu2+-histidyl radical），Int2的结构为铜-酪氨酸自由基（Cu2+-tyrosyl radical pair）。通过反应活性研究，作者阐释了Int1和Int2对于转移氧化损伤，保护铜催化活性中心所起的关键作用。
“Mapping the Initial Stages of a Protective Pathway that Enhances Catalytic Turnover by a Lytic Polysaccharide Monooxygenase
Jingming Zhao, Ying Zhuo, Daniel E. Diaz, Muralidharan Shanmugam, Abbey J. Telfer, Peter J. Lindley, Daniel Kracher, Takahiro Hayashi, Lisa S. Seibt, Florence J. Hardy, Oliver Manners, Tobias M. Hedison, Katherine A. Hollywood, Reynard Spiess, Kathleen M. Cain, Sofia Diaz-Moreno, Nigel S. Scrutton, Morten Tovborg, Paul H. Walton*, Derren J. Heyes*, and Anthony P. Green* J. Am. Chem. Soc.,2023, ASAP. Doi: 10.1021/jacs.3c06607”
Q1. 请对“Mapping the Initial Stages of a Protective Pathway that Enhances Catalytic Turnover by a Lytic Polysaccharide Monooxygenase”作一个简单介绍。
裂解多糖单加氧酶（LPMO）是催化多糖分子降解的高效氧化还原酶催化剂，其活性中心是由来自His1，His78和一个主链上的NH2的三个N原子与Cu2+中心配位构成的T字型铜-组氨酸组合体（copper histidine brace），此催化中心可地针对多糖底物分子C1-H键或C4-H键进行选择性氧化羟基化反应（hydroxylation），所形成的缩醛结构随后发生快速的C-O键断裂从而生成短链单糖分子产物。LPMO的氧化机理尚未清楚，类比研究较为成熟的天然铁卟啉金属酶（heme enzymes）的氧化活性中间体Compound I（高价铁氧中间体），许多DFT理论计算研究预测了LPMO催化的氧化反应过程中的活性物种为高价态铜氧中间体（Cu2+-O或Cu3+-OH），然而目前并没有实验数据捕捉并表征到这样的中间体。针对以上问题，曼彻斯特大学Green组和约克大学Walton组通过合作捕捉并表征了LsAA9 LPMO氧化反应中产生的两个串联模式的重要中间体Int1和Int2，通过停流光谱，定点变异，高分辨X射线吸收光谱，电子顺磁光谱的实验手段结合TD-DFT理论计算，提出Int1可能的化学结构为铜-组氨酸自由基（Cu2+-histidyl radical），Int2的结构为铜-酪氨酸自由基（Cu2+-tyrosyl radical pair）。通过反应活性研究，我们阐释了Int1和Int2对于转移氧化损伤，保护铜催化活性中心所起的关键作用。
Q2. 有关本次研究的时候遇到过怎样的困难呢？又是怎样克服的呢
此研究中最大的困难是中间体一Int1的表征，Int1在野生种LsAA9 LPMO的存活时间非常短暂仅50 ms，利用冷冻淬灭技术准确捕捉Int1是一大难点。我们通过制备Y164F变体来解决这一难题，苯丙氨酸F因无法像络氨酸Y一样可提供单子给Cu中心，所以Y164F变体与氧化剂混合后只形成Int1，随后Int1自行缓慢衰减而非快速转化为Int2，Y164F变体极大稳定了Int1的存活时间，给后续Int1的光谱表征带来了便利。
Q3. 本次研究主体，有没有什么让您感觉特别辛苦和烧脑呢？
最辛苦的部分是酶分子的细胞培养与蛋白质纯化，此LPMO的基因从天然真菌体系中提取出并整合到大肠杆菌表达体系内，由于蛋白质在细胞内质空间表达，随后被前端pelB leader sequence迁移至周质空间（随后pelB被切断从而释放活性His1），导致了较低的表达量，而且光谱表征中间体时需要消耗大量的酶分子溶液，因此整个课题耗时耗力（我统计出此课题所需的全部LPMO来自至少500 升大肠杆菌培养液）。最烧脑的部分是对Int1和Int2是否是活性中间体的鉴定，由于早期一些反应条件的不完善，我们开始看到了一些假阳性的实验数据，误以为Int1是活性中间体，后来经过严格系统的条件筛查，得出两个中间体都没有直接参与催化循环的结论，这个过程中的动力学分析十分复杂。但我们也发现了两个中间体参与了转移氧化损伤的保护性循环，对Y164氨基酸的重要作用有了更全面深刻的认识。
Q4. 将来想继续研究化学的哪个方向呢？
将来想开发高效的新酶分子用于有意义的有机转化反应中，通过定向进化技术大幅改造酶分子以提升其稳定性，反应活性与选择性，同时结合酶学光谱表征研究反应机理。
Q5. 最后，有什么想对各位读者说的吗？
兴趣是最好的老师，恒心与信念是最持久的动力。
作者教育背景简介
教育背景：
2018年，瑞士巴塞尔大学生物无机化学，博士，导师Prof. Thomas R. Ward
2019至今，英国曼彻斯特大学，博后，导师：Prof. Anthony P. Green
获奖经历：
2023年8月，北京大学，第13届国际华人无机化学研讨会，口头报告，最佳海报奖
2020年7月，曼彻斯特大学，第二届曼彻斯特中英青年学者峰会，最佳报告
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作者：石油醚
本期热点研究，我们邀请到了本文第一作者来自加州理工学院的Gao Shilong博士为我们分享。
2023年9月6日，JACS在线发表了来自加州理工学院Frances H. Arnold教授团队题为「Enzymatic Nitrogen Incorporation Using Hydroxylamine」的研究论文。本文中，作者发现了一种血红素酶ParPgb-HYA-5209，其可利用NH2OH作为氨源，成功实现了苄基C-H胺化和苯乙烯氨基羟基化反应。机理研究揭示了一个逐步的自由基反应途径，其中C-H键断裂是决定速率的步骤。本文为制备含氮分子的可持续经济的生物催化途径开辟了新的道路。此外，作者提出了一种新的可能性，即发现利用NH2OH作为胺源的天然酶。
“Enzymatic Nitrogen Incorporation Using Hydroxylamine.
Shilong Gao, Anuvab Das, Edwin Alfonzo, Kathleen M. Sicinski, Dominic Rieger, and Frances H. Arnold* J. Am. Chem. Soc.,2023, ASAP. Doi: 10.1021/jacs.3c08053 ”
Q1. 请对“Enzymatic Nitrogen Incorporation Using Hydroxylamine”作一个简单介绍。
此工作探讨了将羟胺（NH2OH）用作酶催化氮引入的原料的可能性，这个过程对于生物催化和可持续化学有着重要的影响。该研究受自然界对生物分子功能化的启发，研究了依赖血红素的酶以及它们处理NH2OH进行胺化反应的潜力。羟胺在其化学性质上与过氧化氢（H2O2）有一些相似之处，这表明它可能通过酶催化来实现氮引入。尽管羟胺在土壤微生物中自然存在，但以往并未被知道它可以用作生物合成中的胺源。论文介绍了一种经过改良的血红素酶ParPgb-HYA-5209的发现，它能够利用NH2OH进行苄基C-H主胺化和苯乙烯氨基羟基化反应。定向进化进一步增强了酶的活性。机理研究揭示了一个逐步的自由基反应途径，其中C-H键断裂是决定速率的步骤。这篇论文的发现为制备含氮分子的可持续经济的生物催化途径开辟了新的道路。此外，我们提出了一种新的可能性，即发现利用NH2OH作为胺源的天然酶。
Q2. 有关本次研究的时候遇到过怎样的困难呢？又是怎样克服的呢
NH2OH的反应性： NH2OH相对于亲电性羟胺衍生试剂缺乏吸电子基团，导致N-O键解离能升高。这在寻找能够有效激活NH2OH进行氮引入的酶时构成了一道障碍。为了成功进行酶催化，关键是血红素酶必须选择性地结合NH2OH中的氮，而不是氧，以形成反应中间体。实现这种选择性需要仔细考虑酶的活性位点。
在研究的初期阶段，几种血红素酶变体仅表现出微量产物形成的水平。这种有限的反应性对于确定进一步研究的有希望的候选者构成了重大挑战。得益于ParPgb的高稳定性，定向进化很快提高了酶的反应性。
优化反应条件：大肠杆菌中蛋白质表达和血红素产生之间的差异造成血红素占位仅约为25%。我们发现在蛋白质纯化过程中，使用外源的血红素b辅因子能重构完整的酶。最后，我们发现还原条件显著提高了纯化酶的反应性。
理解机制：解开利用NH2OH进行苄基C-H主胺化的复杂机制是一项挑战。这需要进行动力学同位素效应（KIE）实验和自由基探针研究，这些研究提供了有价值的见解，但也增加了解释上的复杂性。未来对机理的研究工作会进一步揭示反应过程中可能涉及的中间体。
Q3. 本次研究主体，有没有什么让您感觉特别辛苦和烧脑呢？
在选择进化的起始点时，我们刻意选择了反应性较低、但体积小稳定性高的酶。这一特性使其能够容忍有益但通常会使其不稳定的突变。得益于此，在第一轮定向进化中，我们发现了大量有益的突变。但与之伴随的挑战在于如何高效的重新组合这些突变。最终，我们采用了Stagger Extension Process的策略。在不加入新突变的前提下，三轮定向进化成功地从初始的41个突变中重排筛选出五个有益的突变，高效地提高了酶的反应性。
将复杂的科学概念翻译成一篇连贯且容易理解的叙述是一项挑战。研究涉及复杂的酶机制、自由基途径和动力学参数，这些对非专业读者来说可能不容易理解。在科学准确性和可读性之间保持平衡、在提供足够的细节以传达研究重要性的同时保持简洁也是一项微妙的任务。在写这篇论文时，我们希望读者能记住的是酶利用NH2OH作为胺源的可能性。我们希望看到更多对NH2OH在自然界中作用的探索。
Q4. 将来想继续研究化学的哪个方向呢？
希望更深入地研究蛋白质工程，时刻关注该领域的最新发展，例如计算蛋白质设计、定向进化策略和高通量筛选方法。这些工具可以有助于有针对性地设计和优化酶，以用于特定的应用。探索在基因编辑领域中确定工程酶的具体应用。例如，探索工程酶如何提高基因编辑技术（如CRISPR-Cas9）的精确性、效率和安全性。研究在基因治疗和精准医学中的潜在治疗应用。希望与分子生物学、遗传学和生物技术等相关领域的专家进行合作。基因编辑是一个跨学科的工作，与专家合作可以提供宝贵的见解，并为跨学科研究提供机会。
Q5. 最后，有什么想对各位读者说的吗？
欢迎更多化学领域的研究者加入酶工程学的大家庭。
作者教育背景简介
教育背景：
2008-2014人大附中
2014-2018波士顿大学
2018-2023加州理工
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作者：石油醚
本期热点研究，我们邀请到了本文第一作者来自南京大学的博士研究生钟桃为我们分享。
2023年8月29日，Angew Chem在线发表了来自南京大学谢劲教授团队题为「Manganese/Cobalt Bimetallic Relay Catalysis for Divergent Dehydrogenative Difluoroalkylation of Alkenes」的研究论文。该文中，他们报道了一种新颖的Mn-Co双金属接力催化体系，实现了各种烯烃的多样性脱氢二氟烷基化，合成了一系列烯丙位二氟烷基化以及二氟甲基化环化产物。该策略利用锰介导的卤原子转移(XAT)与钴催化的氢原子转移(HAT)过程，以还原剂铟粉作为桥梁，将两个催化循环串联，从而实现了双金属接力催化。
“Manganese/Cobalt Bimetallic Relay Catalysis for DivergentDehydrogenative Difluoroalkylation of Alkenes
Tao Zhong, Chengyihan Gu, Yuhang Li, Jun Huang, JianHan, Chengjian Zhu, Jie Han, & Jin Xie*
Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202310762. Doi: 10.1002/anie.202310762”
Q1. 请对“Manganese/Cobalt Bimetallic Relay Catalysis for DivergentDehydrogenative Difluoroalkylation of Alkenes”作一个简单介绍。
二氟甲基在药物化学、材料化学等领域中是一类非常有用的结构，如何在化合物中高效地引入二氟甲基片段一直以来都是合成化学领域的研究重点。然而，烯丙位二氟甲基化化合物的合成相对较为局限，主要来源于脱羧二氟甲基化以及金属试剂对卤代物的亲核取代反应。因此，开发一种新的方法合成这类化合物显得至关重要。在此工作中，我们借助锰介导的卤原子转移(XAT)与钴催化的氢原子转移(HAT)过程，实现了Mn-Co接力催化烯烃的多样性脱氢二氟烷基化。该体系兼容各种商业可得的烯烃，借助底物的控制，我们得到了一系列烯丙位二氟烷基化以及二氟甲基化环化产物。该体系的关键在于利用还原剂铟粉作为桥梁，将两个催化循环串联，从而实现了双金属接力催化。这种双金属接力催化策略为金属自由基化学开辟了新的途径，也促进了锰介导的原子转移反应新催化模式的开发。
Q2. 有关本次研究的时候遇到过怎样的困难呢？又是怎样克服的呢
该策略的主要挑战来源于双金属的兼容性，一旦两者不匹配将导致催化剂失活或者副反应的发生。在最初筛选反应过程中，经常遇到反应体系浑浊或催化剂配体解离的状况，这可能是金属之间不兼容导致的。经过对机理的设计和大量实验尝试，找到了合适的催化剂和还原剂，成功的让两种金属在同一体系中各司其职，且互不干扰，从而实现了我们的设想。
Q3. 本次研究主体，有没有什么让您感觉特别辛苦和烧脑呢？
反应条件的优化是该过程中比较辛苦的过程。其一是因为要综合考虑两个金属的性质，体系中不能存在导致其失活的的物种，比如对锰催化剂而言，依据前人的经验，含吡啶类配体容易导致其活性降低。其二是要找到一个合适的还原剂能够将两个催化循环串联起来，常见的还原剂在我们体系中都无法得到较好的结果，而当选取铟粉作为还原剂时，反应效果大大提升。因此在理性设计的同时，也需要经过大量的实验尝试。
Q4. 将来想继续研究化学的哪个方向呢？
多元催化近年来引起了化学家们的广泛关注，结合不同催化剂的不同反应性，可以从简单的起始原料选择性地获取复杂的产物。然而，控制多金属催化过程并没有一个通用的原则，这使得新反应的发现和优化具有很大的挑战性。因此，接下来我将在多元催化方向继续探索，包括多金属协同催化，金属-有机协同催化等。
Q5. 最后，有什么想对各位读者说的吗？
科研道路任重而道远，贵在坚持和勤奋。对团队而言，有问题要及时与导师沟通交流，导师永远是前进路上的灯塔，指明着前进的方向。与课题组成员要积极讨论，很多想法都是在讨论交流中获得的。对自己而言，广泛阅读大方向上一致的文献，了解前沿工作和需要解决的科学难题；精读与自己领域密切相关的文献，学习借鉴文献中的设计思路和解决方法；多听相关专家的讲座，体会科研历程，学习相关知识，积累汇报技能。
作者教育背景简介
教育背景：
2022.09-至今 南京大学，化学（谢劲教授）
2018.09-2021.06 中山大学，药物化学，理学硕士（翁江副教授）
2014.09-2018.07 南昌大学，药学，理学学士
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