清华大学化工系、化学系课题组与复旦大学合作发文报道酶和贵金属耦合催化体系新进展

发布时间:2019-07-04

  近日,清华大学化工系戈钧副教授课题组、化学系肖海副教授课题组与复旦大学理查德·杰尔(Richard Zare)教授课题组合作,在酶-金属复合催化剂制备领域取得重要成果,以“蛋白质-高分子结合物中合成高活性酶-金属复合催化剂”(Highly active enzyme–metal nanohybrids synthesized in protein–polymer conjugates)为题,于6月24日在线发表于《自然·催化》(Nature Catalysis)上。

  催化是化学工业的基础,为人类社会发展提供了丰富的材料、能源、药品等必须保障和支撑。均相催化、多相催化和酶催化是催化的三种基本形式,有着各自广泛的应用领域和重要价值。三者之间的耦合有望开发出更高效、环保、经济的催化过程,并实现单一形式催化难以完成的目标,为化学工业的可持续发展提供新技术。然而,均相催化、多相催化和酶催化的反应条件往往不匹配,易造成催化剂失活。其中,酶催化剂一般需要在常温、常压、水溶液等温和条件下发挥作用。因此,如何设计酶与均相、多相催化剂的复合催化剂,使其在相对温和条件下同时具备各自较高的催化活性是一个关键的挑战。


图1. (a) 酶-金属复合纳米催化剂的制备方法;(b) 脂肪酶-钯复合催化剂在外消旋反应和动力学拆分反应中的催化效率;(c) 脂肪酶-钯复合催化剂在动态动力学拆分中的催化性能;(d) 重复使用性能;(e)理论计算的外消旋化反应自由能曲线。

  在这项工作中,研究者利用酶-高分子结合物的限域结构原位还原合成了金属亚纳米颗粒,从而构建了酶-亚纳米金属复合催化剂。利用扩展X射线吸收精细结构、基于微液滴反应在线快速消解蛋白的纳升电喷雾质谱、分子动力学模拟等手段,研究者对酶-高分子结合物限域结构中还原金属亚纳米颗粒的过程进行了深入分析。通过实现多种酶和金属颗粒的组合,研究者证明了该合成方法具有较好的普适性。其中,脂肪酶-钯亚纳米团簇复合催化剂(0.8Pd/CALB-Pluronic)很好保持了脂肪酶的活性,同时在钯催化的(S)-1-苯基乙胺外消旋化中表现出高活性,在酶促反应相对较低的温度下,比商业化钯碳催化剂活性高近50倍。通过密度泛函理论计算,研究者发现钯亚纳米团簇中金属原子与氧之间的配位能提高催化剂的活性。立体选择性酰胺化反应的酶催化和胺类化合物外消旋化反应的钯催化相耦合,使该复合催化剂可应用于(±)-1-苯乙胺、(±)-1-氨基茚满、(±)-1,2,3,4-四氢-1-萘胺等胺类化合物的化学-生物法动态动力学拆分以制备重要的手性药物中间体,其催化效率分别比商业化的固定化脂肪酶和钯碳催化剂的组合提高7.6、3.1、5倍。

  这项工作通过在蛋白-高分子结合物纳米限域空间中可控合成酶-金属亚纳米团簇复合物,揭示了复合催化剂中蛋白、高分子中有机官能团对金属亚纳米颗粒的界面调控机制,探索了酶-金属复合催化剂在手性药物绿色合成中的应用。这项工作为酶催化和多相催化耦合及其在绿色生物制造以及环境污染物降解中的应用提供了新思路。该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金等项目资助。

  论文共同第一作者为清华大学化工系2015级博士生黎晓阳、2018级博士生曹宇飞和复旦大学化学系骆凯博士,清华大学为论文第一单位。论文共同通讯作者为清华大学化工系戈钧副教授、化学系肖海副教授和复旦大学化学系理查德·杰尔教授。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41929-019-0305-8