酶-金属单原子复合催化剂在一锅法生物-化学反应的应用

酶催化与金属单原子催化结合,理论上可开发众多新的绿色化学合成反应,是催化科学的一个重要研究前沿方向.酶-金属单原子复合催化剂兼具酶和金属单原子催化剂的高效、高立体选择性等优点.目前已成功构建的单原子分散金属催化剂的载体一般为刚性的无机载体,利用柔性蛋白分子作为载体制备单原子分散金属催化剂的技术瓶颈问题在于蛋白分子具有柔性、构象易变的特点,并且氨基酸残基与金属原子之间的相互作用力较弱,蛋白分子表面的氨基酸残基难以与金属单原子稳定结合.针对这样一个关键技术瓶颈问题,我们建立了酶-金属单原子复合催化剂的光化学合成方法.本文研究酶-金属单原子复合催化剂在生物-化学一锅级联反应合成联苯类手性醇中的催化性能.联苯类手性醇是手性药物的重要中间体,通常通过多步化学法或生物-化学级联法制备.相比于多步化学法,利用生物-化学级联反应制备联苯类手性化合物具有反应条件温和、选择性高、环境友好等优点.采用光化学法合成脂肪酶-钯单原子复合催化剂(Pd_(1)/CALB-Pluronic),通过球差矫正扫描透射电镜和扩展X射线吸收精细结构表征复合催化剂的形貌.首先研究了Pd_(1)/CALB-Pluronic复合催化剂中单原子分散Pd催化的C-C偶联反应催化效率,然后考察了它在生物-化学一锅级联反应中的催化性能;发现该催化剂在C-C偶联反应中具有比常用的Pd均相催化剂和Pd非均相催化剂更好的活性.在碘苯和苯乙炔的Sonogashira反应中,Pd_(1)/CALB-Pluronic的TOF值大于均相催化剂Pd(PPh3)4,是多相商业催化剂Pd/C的3.5倍.Pd_(1)/CALB-Pluronic重复使用10次后,活性仍保留97%,具有很好的稳定性.通过DFT计算分析催化反应路径,提出了Pd_(1)/CALB-Pluronic复合催化剂的2价Pd单原子在Sonogashira反应中可能存在Pd^(Ⅱ)/Pd^(Ⅳ)催化机理.本文开发了(R)-1-(4-联苯)乙醇的生物-化学一锅级联反应合成新路线:Pd_(1)/CALB-Pluronic复合催化剂在30℃的水溶液中催化(±)-1-(4-溴苯基)乙酸乙酯和苯硼酸反应生成(R)-1-(4-联苯)乙醇.在该过程中,CALB催化的立体选择性水解反应和Pd单原子催化的C-C偶联反应同时进行.其中,CALB催化(±)-1-(4-溴苯基)乙酸乙酯中的R型异构体水解为(R)-1-(4-溴苯基)乙醇,Pd单原子催化(R)-1-(4-溴苯基)乙醇与苯硼酸进行Suzuki反应生成(R)-1-(4-联苯)乙醇.Pd_(1)/CALB-Pluronic复合催化剂在30 oC下催化生物-化学一锅级联反应合成(R)-1-(4-联苯)乙醇,其催化效率是商业催化剂Pd/C和CALB-Pluronic催化剂组合的31.3倍.