將單個(gè)金屬原子錨定在酶上具有巨大的應(yīng)用潛力，其可以產(chǎn)生具有高活性和選擇性的混合催化劑，從而用于傳統(tǒng)金屬催化劑無(wú)法驅(qū)動(dòng)的反應(yīng)?；诖耍?strong>清華大學(xué)戈鈞教授、復(fù)旦大學(xué)Richard N. Zare和天津大學(xué)張麟教授（共同通訊作者）等人報(bào)道了一種光化學(xué)方法，并設(shè)計(jì)了一種共價(jià)結(jié)合的酶聚合物偶聯(lián)物，在聚合物鏈上產(chǎn)生與金屬單原子結(jié)合的碳自由基，以及酶表面的氨基酸。通過(guò)在Candida antarctic lipase B（CALB）上錨定單個(gè)鈀（Pd）原子構(gòu)建的半異質(zhì)SACs（記為Pd1/CALB-P），Pd金屬質(zhì)量負(fù)載高達(dá)4.0%，同時(shí)保持Pd的原子分散，其可以高效的驅(qū)動(dòng)烷基-烷基交叉偶聯(lián)反應(yīng)（alkyl-alkyl cross-coupling reactions）。其中，烷基-烷基鍵的合成是有機(jī)合成中最重要的鍵結(jié)構(gòu)之一，在制藥、材料和能源工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。烷基-烷基交叉偶聯(lián)反應(yīng)不能被原始的天然脂肪酶催化，而傳統(tǒng)的Pd催化劑只能在環(huán)境條件下以非常低的效率催化。在文中，Pd1/CALB-P在水溶液中和反應(yīng)溫度為25 °C下，催化1-溴己烷和B-n-hexyl-9-BBN的烷基-烷基交叉偶聯(lián)反應(yīng)時(shí)轉(zhuǎn)化頻率（turnover frequency, TOF）達(dá)到540 h-1，是傳統(tǒng)催化劑Pd(OAc)2的300倍，密度泛函理論（DFT）計(jì)算發(fā)現(xiàn)，脂肪酶活性位點(diǎn)作為支架有效地與烷基鏈結(jié)合，形成多種非共價(jià)相互作用，穩(wěn)定Pd-烷基鏈的過(guò)渡態(tài)，降低活化能。此外，酶的選擇性結(jié)合為Pd催化提供了選擇性?？傊?，原子分散的金屬催化劑與酶的結(jié)合帶來(lái)了許多設(shè)計(jì)催化劑的可能性，可以在環(huán)境條件下有效地催化難以實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)。原子分散的金屬催化劑因其最大的原子效率和獨(dú)特的催化性能，成為多相催化研究的一個(gè)熱門(mén)前沿領(lǐng)域。因此，亟需構(gòu)建具有高活性、選擇性和穩(wěn)定性的單原子催化劑（SACs），但是仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)性。將單個(gè)金屬原子錨定在酶上，理論上可以將酶催化、均相催化和多相催化結(jié)合起來(lái)，為開(kāi)發(fā)在環(huán)境條件下高效運(yùn)行的混合催化劑提供了一個(gè)有前景的平臺(tái)。借助酶活性袋（enzyme active pocket）對(duì)反應(yīng)中間體的識(shí)別和結(jié)合能力，可以極大降低金屬催化反應(yīng)的活化能，從而大大提高金屬催化的效率和選擇性。將金屬單原子錨定在酶上，可以成為傳統(tǒng)金屬催化劑難以催化的反應(yīng)的理想催化劑。然而，酶與金屬單原子催化劑的結(jié)合尚未實(shí)現(xiàn)，可能是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)的靈活構(gòu)型和較差的結(jié)合能力而不能穩(wěn)定金屬單原子。作者通過(guò)光化學(xué)方法實(shí)現(xiàn)了Pd在酶聚合物偶聯(lián)物上的原子分散。具體而言，通過(guò)將酶與環(huán)氧丙烷和環(huán)氧乙烷的醛官能化三嵌段共聚物（Pluronic F-127）共價(jià)連接合成酶聚合物偶聯(lián)物。在對(duì)含有酶pluronic偶聯(lián)物、二苯甲酮（BP）和PdCl2的溶液進(jìn)行20 min的紫外線(xiàn)處理后，Pd原子被捕獲在酶pluronic偶聯(lián)物上。通過(guò)調(diào)整Pd錨定脂肪酶pluronic偶聯(lián)物（Pd1/CALB-P）合成中PdCl2的量，可將Pd的質(zhì)量負(fù)載控制在高達(dá)4.0%（w/w）范圍內(nèi)，其中在每個(gè)CALB-P偶聯(lián)物上錨定了16個(gè)Pd單原子。
通過(guò)密度泛函理論（DFT）計(jì)算，計(jì)算了酶Pluronic偶聯(lián)物的六個(gè)潛在位點(diǎn)的結(jié)合能，這些位點(diǎn)可以提供兩個(gè)O原子與PdCl2配位，包括 Asp、Asn、Ser、Ser-Ser、Ser-Asp和PEO鏈。帶有負(fù)電荷羧基的Asp作為理想配體與PdCl2形成穩(wěn)定的四配位結(jié)構(gòu)。nanoESI-MS進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，Asp和Ser殘基最有可能是Pd單原子的結(jié)合位點(diǎn)。Pd單原子在酶上的穩(wěn)定化機(jī)制包括三個(gè)步驟：1）PdCl2與酶氨基酸殘基中的兩個(gè)O原子結(jié)合生成PdCl2/CALB-P；2）在紫外線(xiàn)照射下，從pluronic中提取H形成烷基自由基；3）兩個(gè)烷基自由基攻擊Pd原子，除去Cl離子生成Pd1/CALB-P。
圖2. Pd單原子在酶上的穩(wěn)定機(jī)制作者在25? °C水溶液中進(jìn)行烷基-烷基交叉偶聯(lián)反應(yīng)，以評(píng)估Pd1/CALB-P的催化性能，其中Pd(OAc)2作為參考催化劑。在1-溴己烷和B-n-hexyl-9-BBN的偶聯(lián)中，Pd1/CALB-P顯示出比Pd(OAc)2高得多的活性。從初始活性計(jì)算，Pd1/CALB-P（33.8 h-1）的TOF是Pd(OAc)2（1.8 h-1）的19倍。同時(shí)，Pd1/CALB-P 在10次催化循環(huán)后仍保持75%的活性，表明具有良好的可重復(fù)使用性?；诜治龊屠碚撚?jì)算，作者確定了Asp223是將Pd單原子錨定在酶活性位點(diǎn)上的最可能殘基，并計(jì)算出酶活性位點(diǎn)相鄰Pd原子的TOF值高達(dá)540 h-1，是Pd(OAc)2的300倍。
Cooperative catalysis by a single-atom enzyme-metal complex.Nature Communications, 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-29900-6.
https://doi.org/10.1038/s41467-022-29900-6.
