合成化学家面临的一个重要挑战是如何有效地控制自由基。这些带有未配对电子的高活性分子，大家可能都听说过；它们是我们服用抗氧化剂补充剂时所针对的分子，以期减轻氧化应激的影响。

然而，在合成化学的领域，自由基却蕴藏着巨大的潜力。

“自由基化学在生物活性小分子和日常聚合物的合成中具有重要应用，”加州大学圣巴巴拉分校的化学教授杨洋表示，他是发表在《自然催化》杂志上的相关论文的作者。“然而，如何对自由基介导的反应施加立体控制，几十年来一直是对称催化领域的一大难题。我们正在努力开发生物催化策略，以进一步拓展自由基化学的边界。”

为了充分挖掘自由基的合成潜力，杨和他的团队专注于立体化学，也就是3D化学，研究原子和分子的三维排列。

有机分子的立体化学对其性质有着深远的影响。例如，(S)-香芹酮或“左旋”香芹酮是薄荷独特气味的主要成分，而(R)-香芹酮或“右旋”香芹酮则存在于香芹籽中，散发出截然不同的气味。因此，精确控制立体化学是合成化学的一个重要目标。为了实现这一目标，化学家们转向催化剂，这种物质在化学反应中不会被消耗或转化，可以重复使用。

实现这种立体控制并非易事。“通常来说，引导自由基朝向理想的立体化学是非常困难的，”杨指出。一旦自由基形成，它们就不会与催化剂紧密相互作用。此外，从另一个角度来看，这些自由基几乎是自由的——它们可以迅速从潜在的反应位点游离出去。

不过，杨和他的合作者们有一些独特的方法：金属酶——这些自然产生的蛋白质具有活性金属中心，能够生成并控制自由基进行选择性转化。

杨表示：“具体来说，在这篇论文中，我们解决了一个关键问题，即如何控制自由基对芳香化合物的立体选择性加成。”在这种情况下，自由基来源于外消旋起始物质。

这就是三维化学的意义所在。“外消旋”意味着材料由相同比例的“左旋”和“右旋”（也称为“手性”）分子组成——这些分子由相同的原子构成，但由于不对称性，它们的化学性质相同却互为镜像。就像你的手一样，虽然可以通过反射来匹配它们，但无法将它们叠加在同一方向上。在正常情况下，这会给酶的作用带来挑战。

“酶被广泛认为是非常特殊的催化剂，”杨说。“如果酶具有特异性，这在自然界中是常见的，那么它们只能识别并转化手性化合物的一种对映体形式。而且这种酶通常不接受其镜像。”

“但在我们的研究中，”杨继续说道，“我们设计了一种酶，能够接受左旋和右旋形式的起始物质，并以极高的选择性将这些起始物质转化为相同的主要对映体产物。”

在他们的论文中，研究人员利用一种依赖铁的酶来生成高活性的自由基。通过定向进化，他们设计了一种选择性铁酶，能够以极高的选择性生产左手或右手产物。此外，借助第三种“动力学分解”酶，研究人员可以选择性地转化左手起始物质，而不影响右手起始物质。

杨说：“因此，我们拥有一个酶工具箱，可以对芳香化合物的自由基官能化进行多种类型的立体控制。”他补充道：“然而，这些酶之间仅存在一些突变。”杨希望这个不断扩展的生物催化剂工具箱能够帮助其他研究者更好地控制他们的3D化学，这是有机化学家面临的一个经典问题。

“我们的金属酶提供了一种潜在的通用解决方案来控制自由基的选择性，”杨表示。“因此，我们开发的这些生物催化解决方案有望推动学术界和工业界在手性化合物的合成与研究方面的进展。”