人工酶-贵金属复合催化剂可控合成和催化应用研究

The combination of homogenous, heterogenous and enzymatic catalysis can establish various chemo-bio integrated catalytic processes with enormous applications in chemical industry. However, the incompatibility of homogenous, heterogenous and enzymatic catalysis reaction conditions, especially the enzyme deactivation at harsh conditions of homogenous and heterogenous catalysis, hindered the development of chemo-bio integrated catalytic processes. Aiming at this challenge, from the aspect of catalyst design, this project proposed the enzyme-assisted in-situ synthesis of nano-, subnano-cluster and single-atom catalyst made of noble metals. The key scientific problem which is the size effect of nano, subnano and single-atom on the relationship between temperature and activity of enzyme-noble metal hybrid catalyst will be systematically investigated. On basis of the detailed investigation, the noble metal catalyst with high activity at ambient temperature and the lipase-Pd hybrid catalyst which has high overall enzymatic and Pd activity at ambient condition will be prepared, followed by its application in chemoenzymatic dynamic kinetic resolution of amines to produce chiral compounds. This type of artificial enzyme-noble metal hybrid catalysts will have the properties coming from enzyme, heterogenous and homogenous catalysts, providing new routes for the integration of homogenous, heterogenous and enzymatic catalysis.

均相催化、多相催化和酶催化通过组合可以衍生出众多化学-生物耦合催化过程，在化工制造中发挥巨大作用。然而，三种催化过程的反应条件多数情况下并不匹配，化学工业中均相和多相催化的苛刻条件非常容易造成酶失活，制约了化学-生物耦合催化反应的发展。面向该挑战，本项目从催化剂分子设计角度，提出酶分子辅助原位合成纳米、亚纳米团簇和单原子形式的贵金属多相催化剂，研究纳米-亚纳米-单原子尺寸效应对酶-贵金属复合催化剂温度-活性关系的影响机制这一关键科学问题，实现常温下贵金属催化剂的高活性，构建可在常温温和条件下进行高效催化的脂肪酶-钯复合催化剂，并应用于胺的动态动力学拆分制备手性化合物。该人工酶-贵金属复合催化剂将兼具酶催化、多相催化和均相催化的特点，为促进均相催化、多相催化和酶催化三者之间的融合提供新途径。

催化科学前沿研究的一个重要方向是酶催化与均相催化、多相催化的融合，满足药物生产、生物制造、医学检测等重要领域中复杂、级联的生物化学反应对新催化技术的迫切需求，有望开发出具有催化效率高、成本节约、原子经济、环境友好等特点的一锅级联反应，为化学工业的可持续发展提供新技术。然而，一锅级联反应中的生物-化学耦合催化往往难以高效进行。主要原因是酶催化剂与很多均相、多相催化剂在同一反应条件下的催化效率难以良好匹配。针对酶和金属催化剂在一锅级联反应中高效耦合的关键科学问题，构建酶-金属复合催化剂，利用复合催化剂的多重结构效应和其中酶与金属催化剂的相互作用来调控催化剂微环境，实现酶和金属催化剂的兼容适配，同时具备高活性，从而高效驱动生物-化学一锅级联反应。面向该挑战，本项目首先开展了负载超小尺寸金属颗粒（<1 nm亚纳米团簇、单原子）的酶-金属复合催化剂构建方法和可控制备技术的研究。基于酶-高分子结合物的限域空间，建立了原位还原可控制备酶-金属亚纳米团簇复合催化剂的新方法，建立了光化学可控制备酶-金属单原子复合催化剂的新方法，解决了负载超小尺寸（<1 nm，单原子）金属颗粒的酶-金属复合催化剂的制备和稳定化难题。进一步阐明了酶-金属复合催化剂的构效关系、尺寸效应和相互作用机制，提出了Pd亚纳米团簇表面Pd-O配位提高催化剂活性的机理, 提出了酶-高分子结合物限域空间中氧原子和碳自由基协同锚定稳定化Pd单原子的机理，为设计稳定、高效的酶-金属亚纳米团簇（单原子）复合催化剂提供了理论基础。另外，利用酶-金属复合催化剂中超小尺寸金属颗粒（亚纳米团簇、单原子）的尺寸效应以及和酶分子表面氨基酸残基的相互作用提高了其在胺外消旋化反应、碳碳偶联反应中的催化活性，实现了酶催化和金属催化在温和条件下的高效耦合，探索了其在生物-化学一锅级联反应合成手性胺类、联苯手性醇类重要药物中间体中的应用。该研究工作为促进均相催化、多相催化和酶催化三者之间的融合提供新途径。