手性生物分子 "人工酶"：加成反应的不对称催化和手性诱导机制的理论研究

Chiral biomolecule-based 'artificial enzyme' combines the chiral environment of DNA helix and the versatility of synthetic catalysts to implement asymmetric transformation. Compared with traditional asymmetric catalysis, this conceptually new strategy has both fundamental importance and intriguing application potentials. However, the catalysis and chiral induction mechanism of this newly emerging chiral 'artificial enzyme' is still unknown. This project aims at theoretically revealing the mechanisms of catalysis and chiral induction for the DNA-based chiral 'artificial enzyme', by studying the asymmetric addition reaction systems. With multi-scale theoretical modeling, we will illuminate, at the molecular level, how the DNA helix and metal complexes assemble with each other to construct asymmetric micro-reaction-spaces, and to reveal the origin of the chiral induction and the key factors that controlling the stereoselectivity. Our study will build general mechanistic models and provide a fundamental framework to understand the novel DNA-based chiral 'artificial enzyme'. Furthermore, with systematic study of the relationships between micro-reaction-space and DNA sequence, this project will provide helpful guidelines for the future tuning/design of chiral biomolecule-based 'artificial enzymes'.

手性生物分子 "人工酶"巧妙地将手性螺旋的DNA分子和形色多样的合成催化体系相结合应用于不对称催化，不但是科学概念上的创新，而且具有基础性的研究意义和诱人的应用前景。该领域研究在学术界刚刚兴起，其催化机理和手性诱导机制等方面的认识严重匮乏，阻碍了进一步的开发改进和理性设计。以DNA型手性"人工酶" 催化不对称加成为研究对象，本项目旨在从基础理论研究的角度揭示该类手性"人工酶"的不对称催化和手性诱导机制。从微观分子水平上明确DNA分子和金属配合物通过配体构筑不对称反应活性空间的行为和规律，揭示DNA手性"人工酶"体系的不对称催化和手性诱导机制及其关键控制因素。本研究将建立普适性的反应机理模型，为该领域的发展构建基础性的理论认识。提炼归纳不对称微观反应空间与DNA分子序列的关系和规律，可为新型高效高选择性DNA手性"人工酶"的优化、设计和预测提供理论指导。

我们通过分子对接、分子力学、分子动力学、量子力学和QM/MM等多尺度理论计算和模拟手段对人工酶和相关不对称催化体系进行了机理和立体选择性的探索和研究, 取得一些创新性成果。我们从微观分子水平上明确了DNA分子和金属配合物共同构筑反应活性空间的行为和规律，发现自组装体系的碱基对层间插入和共价键锚定体系的大沟组装是构筑不对称微观反应空间两种主要模式。同时，受研究启发，在相关领域进行了开拓和探索，并且通过实验研究进行合作，揭示了系列协同仿生和相关弱键在催化反应性和立体选择性中的机理和作用。本项目的研究为将来人工酶体系，生物大分子和溶剂界面反应体系的多尺度理论研究，及其协同仿生机制和弱键相互作用对活性和手性诱导的理论研究提供有价值的参考，并为后续研究提供了基础。经费资助的研究成果，目前为止在Angew. Chem., Int. Ed.，ACS Catal.，J. Org. Chem.，Organometallics，Dalton Trans.，和J. Phys. Chem. B等领域内重要杂志上发表学术论文10篇。在全国量子化学会议、全国计算（机）化学会议、高分子催化聚合青年学术交流会等作邀请报告和口头报告。