反應(yīng)型活性氧（ROS）作為一種高效的氧化物種，它的出現(xiàn)可以追溯到約26億年前，地球發(fā)生的Great Oxidation Event，俗稱大氧化事件，大氣中的氧氣含量大量增加，伴隨著生命體中線粒體需氧過(guò)程，生成了大量的游離態(tài)ROS，它們?cè)诩?xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)和體內(nèi)平衡中扮演了極其重要的作用。由于高反應(yīng)性的特點(diǎn)，ROS也被廣泛應(yīng)用于腫瘤治療、工業(yè)催化和環(huán)境治理等需氧氧化反應(yīng)當(dāng)中。然而，由于對(duì)ROS形成機(jī)制的理解尚不全面，這阻礙了它們更深層次的應(yīng)用。作為一種典型的類酶物質(zhì)，單原子納米酶具有配位環(huán)境可調(diào)和原子利用效率高等特點(diǎn)，近年來(lái)受到人們的廣泛關(guān)注，尤其是具有與天然酶血紅素中心FeN4活性結(jié)構(gòu)相類似的Fe–N–C納米酶。然而FeN4位點(diǎn)的電子結(jié)構(gòu)如何影響ROS的形成機(jī)制仍不明確，這使得該項(xiàng)研究充滿挑戰(zhàn)。 圍繞這些科學(xué)問(wèn)題，東南大學(xué)張?jiān)≌n題組（https://carbosensing.group）與江西師范大學(xué)高雪皎課題組（理論計(jì)算）合作，提出調(diào)控單原子納米酶第二配位層來(lái)操控ROS產(chǎn)生路徑的策略，增強(qiáng)了需氧氧化反應(yīng)選擇性。通過(guò)模擬天然細(xì)胞色素P450酶含硫配體在氧氣活化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高活性結(jié)合態(tài)ROS的特征，制備得到第二配位層硫功能化的FeN4單原子納米酶。發(fā)現(xiàn)FeN4在活化氧氣生成*OOH中間體后會(huì)泄露游離態(tài)ROS，而第二配位層硫功能化的FeN4則通過(guò)結(jié)合態(tài)ROS路徑活化氧氣，使得類氧化酶活性提高2.4倍，反應(yīng)中產(chǎn)生的游離態(tài)ROS僅為FeN4的17 %。通過(guò)自由基捕獲、球差電鏡、低溫電子順磁共振、X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)譜等實(shí)驗(yàn)表征以及密度泛函理論計(jì)算揭示第二配位層硫摻雜會(huì)顯著改變FeN4活性中心電子結(jié)構(gòu)，提高費(fèi)米能級(jí)處的電子密度，從而加速了從活性中心到關(guān)鍵中間體*OOH的電子轉(zhuǎn)移，最終決定了單原子納米酶在需氧氧化過(guò)程中的ROS產(chǎn)生類型（圖1）。
圖1 通過(guò)第二配位層調(diào)控活性氧中間體的機(jī)理示意圖 作為應(yīng)用，該研究進(jìn)一步將第二配位層硫功能化的FeN4單原子納米酶用于NADH、PMSO和ORR三種不同需氧氧化反應(yīng)中，顯著增強(qiáng)了反應(yīng)活性、選擇性和穩(wěn)定性。該研究在電子結(jié)構(gòu)層面加深了對(duì)單原子納米酶ROS形成機(jī)制的理解，展現(xiàn)了通過(guò)模擬天然酶結(jié)構(gòu)來(lái)提高反應(yīng)活性、選擇性和穩(wěn)定性的重要工業(yè)應(yīng)用前景。 論文信息 Regulating Reactive Oxygen Intermediates of Fe?N?C SAzyme via Second-Shell Coordination for Selective Aerobic Oxidation Reactions Yuan Xu, Yuanjie Ma, Xinghua Chen, Kaiqing Wu, Kaiyuan Wang, Prof. Yanfei Shen, Prof. Songqin Liu, Prof. Xuejiao J. Gao, Prof. Yuanjian Zhang Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202408935
