Pickering乳滴微空间限域金属配合物/酶双催化剂及其串联反应研究

Chemo-enzymatic cascade reactions are an important and efficient approach to prepare chiral chemicals with high enantioselectivity. However, this reaction system remains a great challenge in overcoming the incompatibility of chemo- and biocatalytic reactions and in understanding the spatio-temporal coupling effect that is often observed in cellular reactions. To this end, this application intends to encapsulate different chemo-enzymatic catalysts in the multiple compartments of Pickering droplets, thus constructing a stable and efficient chemo-enzymatic cascade reaction system. The multiple compartments and the superior confined effect of the Pickering droplets provide a platform to effectively compartmentalize the complex TiIV(Salen) and the enzyme CALB and to keep them in communication. Moreover, the spatio-temporal coupling of the corresponding catalytic steps could be achieved via precisely adjusting the distance of the catalysts. Additionally, the in-suit dynamic characterization techniques are utilized to track the molecular diffusion process and then obtain the relevant diffusion model. This helps us to understand the influence of the diffusion and distribution of reactant and product molecules to the catalytic performances, which further reveals the scientific relationship between the catalytic efficiency with the micro-structures of the Pickering droplets and the distance of the catalysts. We believe that the designed system will provide a theoretical guidance for other tandem catalysis.

化学-酶串联反应是一种制备高ee值手性化学品的有效途径。然而，目前该串联反应的挑战在于如何解决化学催化剂和酶催化剂的兼容性问题以及串联反应在时间和空间上的耦合性问题。为此，本申请拟利用Pickering乳滴的多级限域空间封装多种催化活性中心，从而构建一种稳定高效的化学-酶串联反应体系。其良好的限域能力，可以将TiIV(Salen)配合物和CALB酶有效地隔离开，并保持彼此之间的物质传输，通过调控催化活性中心之间的空间距离，可以实现串联反应在时间和空间上的高效耦合。同时，利用原位动态表征技术跟踪反应及分子扩散过程，建立相应的分子扩散模型，理解反应物和产物分子的扩散及分布对串联反应的影响规律，进一步揭示乳滴限域空间微结构、活性中心距离与串联反应催化效率之间的科学关联，为设计高效的化学-酶串联催化体系提供一定的理论依据。

高光学纯手性化学品的绿色制造是国家的重大需求。目前，工业上主要的技术瓶颈在于缺乏高选择性催化剂、绿色反应介质以及高稳定性连续化反应工艺。围绕这些问题，本项目通过设计构建新型的Pickering乳滴多级限域空间微反应器，将化学催化剂和酶分别限域在乳滴微空间内部，同时将其有效隔离开，从而构建一种稳定高效的化学/酶串联催化体系，并实现其连续流动催化过程。主要取得以下研究成果：（1）借鉴仿生学原理，以多孔氧化硅纳米球作为次级限域空间负载金属配合物和酶双催化剂，进一步将次级限域空间组装在IL/O型Pickering乳滴内，从而构建了Pickering乳滴多级限域空间催化微反应器，实现在固定床反应器上连续运行240小时以上，产物的光学纯度始终保持在99%以上，转化率保持在90%以上，其催化效率可达传统间歇式反应的5-420倍以上；（2）实现了Pickering乳滴微空间内动力学调控，建立了Pickering乳滴微空间内的串联催化反应模型，获得串联催化体系下多步反应的临界反应深度与乳滴尺寸的内在关系，加深了对液滴微纳空间内催化反应的认识，同时指导Pickering乳滴固定床反应器的合理设计；（3）发展了固体微球和Pickering乳液共填充的固定床串联催化体系，实现了反应体系同时存在均相和多相反应微环境，进一步拓展了固定床催化反应器的类型，在化学/酶连续流动串联反应中得到了较好的催化效果。相关研究成果发表在Nature Communications上，并受到国内多家企业的关注，目前正在洽谈合作。