高效、高选择性活化分子中的惰性C–H键，一直是化学领域的重要目标。近年来，光酶催化的迅速发展为C–H键的精准官能团化提供了新的机遇。然而，传统惰性C–H键活化体系难以在生物相容条件下运行，相关光酶催化惰性键直接官能团化的开发仍处于探索阶段。南京大学化学化工学院黄小强小组长期致力于开发光、电驱动的酶催化非天然新功能的开发。近期，该团队在前期焦磷酸硫胺素（ThDP）依赖的自由基酰基转移酶研究基础上，融合多种C–H键活化策略，成功发展了两类新型光酶催化非天然转化。
图1：基于ThDP依赖酶的光生物催化新体系
在体系1中，黄小强小组和我院龙亿涛课题组、厦门大学王斌举课题组的合作团队提出了一种“三重激活”策略：利用氢原子转移试剂选择性活化C(sp3)–H键生成前手性自由基，并通过有机光敏剂Eosin Y催化的单电子转移调控自由基过程，最后利用工程化的硫胺素依赖酶（RATCH）实现自由基对的高立体选择性偶联。该工作首次将C(sp³)–H键直接活化用于光酶催化不对称酰基化，拓展了生物催化反应的边界。成果以“Photobiocatalytic benzylic C-H acylation enabled by the synergy of a thiamine-dependent enzyme, an organophotocatalyst and hydrogen-atom transfer”为题，于2025年8月19日在线发表于Nature Synthesis期刊。
研究团队在模板反应中以4-氯苯甲醛和乙基苯分别作为酰基来源和自由基前体，在筛选了各类HAT试剂、光敏剂和ThDP依赖酶后，得到最佳反应条件，并通过多轮突变获得了催化该反应的最优突变体RATCH。在底物拓展中，该体系显示出良好的底物耐受性，文章展示了33个例子，最高产率达74%，对映选择性高达97% e.e.。
研究团队通过光谱电化学研究、电子顺磁共振谱学研究和理论计算等方法，对机理开展了详细研究，揭示了该体系“三重激活”策略如何循环以及高立体化学选择性的来源。详细内容请参考原文。
图2：体系1的部分底物
在体系2中，黄小强小组和南京工业大学江凌课题组的合作团队将“自由基重定位”概念引入酶催化体系，通过可见光激发产生氮中心自由基，进而触发自由基从氮原子远程迁移至δ、ε、ζ甚至η位的碳原子，从而解锁远程C–C/C–H键的化学和对映选择性酰化，实现了多类手性酮的不对称生物合成。该成果以“Photobiocatalytic radical repositioning for enantioselective acylation of remote C–C/C–H bonds”为题，于2025年11月3日在线发表于Nature Catalysis期刊。
该方法适用范围广泛，文章中展示了43个腈和酰胺产物，均表现出良好的产率和优异的对映选择性，最高对映体比例达99.5:0.5。此外，团队通过机理湿实验和理论计算，揭示了光在促进自由基生成、酶与光敏剂协同作用的关键机制，以及酶活性中心如何通过空间限制和能量匹配实现对远程自由基的高立体识别与控制。详细内容请参考原文。
图3：体系2的部分底物
这两项工作的第一通讯单位均为南京大学配位化学全国重点实验室、化学化工学院、化学和生物医药创新研究院、前沿交叉科学研究中心。我院23级博士研究生彭西超和21级直博生明阳分别为两个工作的第一完成作者。衷心感谢龙亿涛课题组光谱电化学方面的研究，为机理的阐释提供了关键实验证据。工作得到了南京大学“789科技攻关计划”（KG202503）、科技部重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省合成生物学基础研究中心等项目的支持。
体系1论文链接：https://www.nature.com/articles/s44160-025-00866-9
体系2论文链接：https://www.nature.com/articles/s41929-025-01435-1