突破：科學(xué)家制出催化劑，能像人體氧化酶一樣呼吸
撰文 | 邸利會(huì)
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對(duì)活化碳?xì)滏I和氧氣20年的探索，終于有了重要的進(jìn)展，讓余金權(quán)有些喜出望外。
在化學(xué)家眼里，呼吸，在一定程度上可以簡(jiǎn)單理解為氧氣接受電子轉(zhuǎn)化為水分子而氧化其他有機(jī)物的過程。而有機(jī)物，按照通常的定義，就是任何包含碳?xì)滏I的化合物。體內(nèi)的各種氧化酶催化的碳?xì)滏I的氧化反應(yīng)，也是細(xì)胞調(diào)控各種功能的重要組成部分，包括信號(hào)傳遞。
半個(gè)世紀(jì)以來，化學(xué)家們前赴后繼，夢(mèng)想著能設(shè)計(jì)這樣一個(gè)催化劑，模仿人體內(nèi)的氧化酶，實(shí)現(xiàn)碳?xì)滏I氧化的催化反應(yīng)，雖然發(fā)表了無數(shù)有學(xué)術(shù)價(jià)值的論文，但始終未能取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。
去年新冠疫情期間，呆在家里的余金權(quán)思考的時(shí)間比平時(shí)多了不少。也就是在那個(gè)期間，一個(gè)偶然的發(fā)現(xiàn)催生了設(shè)計(jì)雙重功能催化劑的想法。
“這個(gè)新概念的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)一個(gè)催化劑分子可以在兩個(gè)結(jié)構(gòu)之間互相轉(zhuǎn)變，分別完成對(duì)碳?xì)滏I和氧氣的活化這兩個(gè)完全不同的功能。這個(gè)催化劑有點(diǎn)像變形金剛，可以按照一定時(shí)間順序 ‘變臉’，從而獲取雙重功能——既能實(shí)現(xiàn)碳?xì)滏I的活化，也能實(shí)現(xiàn)氧氣活化。” 美國(guó)斯克里普斯研究所教授余金權(quán)告訴《知識(shí)分子》。
雖然同一結(jié)構(gòu)的催化劑也有可能具備雙重功能，但同一結(jié)構(gòu)且同時(shí)能活化碳?xì)滏I和氧氣的可能性顯然是微乎其微的。
這一突破性的成果發(fā)表在6月25日的《科學(xué)》雜志上，從機(jī)理設(shè)計(jì)入手，余金權(quán)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種具有吡啶和吡啶酮的鈀配合物催化劑，能夠使用氧氣有效的催化芳香羧酸苯環(huán)羧基臨位的C-H羥基化，改變了傳統(tǒng)上人們對(duì)活化氧氣催化機(jī)制的認(rèn)知。
原來，受 “仿生” 慣常思維的影響，絕大多數(shù)研究者自然地把關(guān)注點(diǎn)放在了設(shè)計(jì)鐵、銅、錳等元素的催化劑上——畢竟，這些元素在體內(nèi)的含量是比較多的，而且我們也確切地知道它們的一些功能，比如含鐵的各種氧化酶可以結(jié)合氧氣并催化碳?xì)滏I的羥基化反應(yīng)。
20年前，當(dāng)余金權(quán)在劍橋開始獨(dú)立工作時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)碳?xì)滏I的氧化，也曾合成了大量的鐵催化劑。當(dāng)時(shí)他只有一個(gè)學(xué)生在研究鈀，幸虧該學(xué)生動(dòng)手能力強(qiáng)，取得了一些進(jìn)展。很快，余金權(quán)就把全部精力都放在了鈀上。這之后，他雖然也發(fā)明了大量碳?xì)滏I的反應(yīng)，但一直到今天，才成功設(shè)計(jì)了這樣一個(gè)鈀的配體催化劑，實(shí)現(xiàn)碳?xì)滏I和氧氣的反應(yīng)。
“仿生不一定要太注重在機(jī)械形體上，更重要的是在理念上，否則或許會(huì)東施效顰，當(dāng)然這并非批評(píng)仿生催化的前輩們?！?余金權(quán)感慨道，“正是他們多年的執(zhí)著激勵(lì)著后來者們?！?/span>
值得注意的是，在底物的普適性上，該催化劑也大大超過通過進(jìn)化改善的各種氧化酶，可能會(huì)在能源材料等領(lǐng)域產(chǎn)生非常深遠(yuǎn)的影響。
“因?yàn)楹芏嗄茉床牧显O(shè)計(jì)都會(huì)涉及基于氧化還原的電子轉(zhuǎn)移過程，包括燃料電池等等。氧氣一旦可以活化，可以釋放能量，或許有很多巧妙的功能可以設(shè)計(jì)，我還沒有仔細(xì)思考怎么去拓展應(yīng)用，因?yàn)槲夷壳爸饕亲龌A(chǔ)科研?！?余金權(quán)告訴《知識(shí)分子》。
不過，比起實(shí)際的應(yīng)用，延伸下來的一個(gè)有趣的科學(xué)問題是：為什么大自然創(chuàng)造的生命，其呼吸氧的機(jī)制里面用的是鐵，不是鈀？當(dāng)今年余金權(quán)回劍橋做報(bào)告時(shí)，在場(chǎng)的研究生物合成的老師這樣問他。
“問題比答案更有趣。” 余金權(quán)說，“鑒于我們能夠用鈀做這么多反應(yīng)，有一點(diǎn)可以肯定，如果大自然選擇了鈀，應(yīng)該也可以產(chǎn)生生命，至于為什么沒有選擇，可能就是因?yàn)閹茁实膯栴}，畢竟鈀含量低很多，既使產(chǎn)生生物，大面積的進(jìn)化也會(huì)受限。”
這不難理解，畢竟在地球上，鐵的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鈀。不過，茫茫宇宙，也許在某個(gè)鈀比較多的星球上，那里的生命正用同樣合理的方式——鈀催化來吸取氧氣。
“在金屬催化的反應(yīng)中，配體的使用起著至關(guān)重要的作用。” 中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所研究員馬大為說。馬大為在催化領(lǐng)域有著多年研究經(jīng)驗(yàn)。他告訴《知識(shí)分子》，配體作用的原理就是通過與金屬結(jié)合在一起，來改變催化中心金屬的電負(fù)性和空間環(huán)境，使中心金屬的性能更適合于促進(jìn)相關(guān)化學(xué)鍵的形成和斷裂。
而金屬催化的碳?xì)滏I活化和氧氣氧化，在催化領(lǐng)域均屬于比較挑戰(zhàn)的步驟?！坝嘟饳?quán)課題組最近通過巧妙地設(shè)計(jì)了一類自身結(jié)構(gòu)可變的二齒型配體，讓它們?cè)诓煌A段通過結(jié)構(gòu)變化分別適應(yīng)于兩個(gè)挑戰(zhàn)性的反應(yīng)步驟，成功實(shí)現(xiàn)了利用分子氧的鈀催化碳?xì)滏I氧化，可以使一系列芳基羧酸直接進(jìn)行碳?xì)滏I的羥基化。” 馬大為介紹說。
他指出，羧酸基團(tuán)和鈀的結(jié)合，使含有多個(gè)碳?xì)滏I的反應(yīng)物的反應(yīng)只發(fā)生在羧酸鄰位的碳?xì)滏I，具有優(yōu)異的區(qū)域選擇性。
馬大為認(rèn)為，余金權(quán)課題組工作的亮點(diǎn)在于，很多碳?xì)滏I活化需要把底物預(yù)先官能化才能進(jìn)行，而余金權(quán)課題組一直在探索利用方便易得的羧酸做反應(yīng)底物。“這個(gè)結(jié)果為一系列含有芳基羧酸的生物活性分子和材料分子的后期的分子結(jié)構(gòu)改造提供了又一個(gè)方便的方法，可以進(jìn)一步拓展它們的化學(xué)空間，促進(jìn)相關(guān)功能分子的性能研究?！?/span>
那么，這一研究背后有著怎樣的故事？《知識(shí)分子》第一時(shí)間邀請(qǐng)到余金權(quán)，為讀者進(jìn)行深一步的解讀。
《知識(shí)分子》：化學(xué)家們模擬生物的合成，是出于興趣，還是有潛在的重要應(yīng)用？
余金權(quán)：可以從兩方面說，一方面因?yàn)槊复呋w系跟生命、跟很多疾病都有關(guān)系，但要研究體內(nèi)這么復(fù)雜的一個(gè)酶催化的過程，有時(shí)候需要一個(gè)簡(jiǎn)化的模型系統(tǒng)。酶分子很大很復(fù)雜，所以很多人其實(shí)是把最簡(jiǎn)單的核心結(jié)構(gòu)拿出來，去研究它的反應(yīng)機(jī)理，這樣可以研究的更透，為研究酶提供理論基礎(chǔ)。
另外一方面，更重要的考慮是，既然生物酶可以催化很多巧妙的反應(yīng)，而這些反應(yīng)在合成、催化領(lǐng)域，對(duì)于工業(yè)界、制藥界很重要，那么有沒有可能通過人工設(shè)計(jì)的催化劑實(shí)現(xiàn)類似的反應(yīng)？這個(gè)很大的領(lǐng)域叫仿生催化。
仿生催化有很多其他的反應(yīng)，有一些簡(jiǎn)單的反應(yīng)比較成功。碳?xì)滏I氧化這個(gè)反應(yīng)是最難，又重要，所以做的人最多，但（此前）一直沒有成功。
《知識(shí)分子》：為什么碳?xì)滏I氧化研究，大家把關(guān)注點(diǎn)都集中在其他的元素，比如說鐵、銅？
余金權(quán)：因?yàn)樵谏矬w內(nèi)主要用鐵、銅這兩個(gè)元素來做氧化反應(yīng)。大家的思路是，既然要模擬生物，盡量用生物里面存在的元素。全世界主要精力都集中在鐵和銅上面了，積累了很多的化學(xué)認(rèn)知，培養(yǎng)了很多的優(yōu)秀科學(xué)家，但是沒有找到解決問題的方案。
仿生的碳?xì)滏I氧化這個(gè)問題從70年代就開始被關(guān)注，到90年代最熱，現(xiàn)在有些減緩，但是一直都是很多人在研究。雖然催化劑沒有設(shè)計(jì)出來，但研究它的機(jī)理，對(duì)理解生物體內(nèi)的一些疾病、機(jī)制還是有幫助的。
《知識(shí)分子》：你在劍橋大學(xué)的第一年也是在做鐵？
余金權(quán)：對(duì)。20年前做鐵其實(shí)我是有一個(gè)非常有趣的想法，這個(gè)想法直到現(xiàn)在仍然沒有看到報(bào)道。我的目的是建立一種新的快速評(píng)價(jià)鐵催化劑的體系，希望將來會(huì)有機(jī)會(huì)重新去探索。當(dāng)時(shí)因?yàn)殁Z那邊做的有點(diǎn)進(jìn)展，就集中精力去做鈀了。我選擇只做鈀，剛開始肯定是有些冒險(xiǎn)的，十年以后才認(rèn)識(shí)到鈀是很好的一個(gè)選擇。
《知識(shí)分子》：用鈀做碳?xì)滏I羥基催化的想法是什么時(shí)候產(chǎn)生的？
余金權(quán)：這個(gè)想法產(chǎn)生很久了，第一篇文章發(fā)表其實(shí)也快10年了，但是發(fā)了那篇文章后，一直沒有后續(xù)的進(jìn)展，關(guān)鍵是沒有設(shè)計(jì)出配體控制的催化劑，只是說觀察到這個(gè)反應(yīng)，做出點(diǎn)希望。一直到一年半之前，因?yàn)橐咔榈脑蛟诩依?，可能思考的也比較多，更重要的是學(xué)生的一個(gè)偶然發(fā)現(xiàn)啟發(fā)催生了一個(gè)設(shè)計(jì)雙功能催化劑的想法， 此后進(jìn)展很快。
《知識(shí)分子》：怎么就產(chǎn)生了這樣的一個(gè)靈感？
余金權(quán)：這個(gè)當(dāng)然很復(fù)雜，也是基于我們之前非常多的研究。
在過去十年，我們?cè)谠O(shè)計(jì)配體調(diào)控的催化劑活化碳?xì)滏I那一步取得了一系列突破性進(jìn)展。但是這些催化劑不能解決第二步的氧氣活化。后來我們意識(shí)到，可能會(huì)很難找到這樣一個(gè)催化劑，既可以做第一步，又可以做第二步，要依賴同一個(gè)結(jié)構(gòu)解決兩個(gè)問題，可能性很低。
你可能會(huì)說，可不可以放兩個(gè)催化劑進(jìn)去？當(dāng)然不行，因?yàn)閮蓚€(gè)催化劑之間不可能傳遞，不可以像接力賽一樣，跑完第一棒，另一個(gè)人接著跑第二棒，分子是不會(huì)聽話的。
一個(gè)新的想法就是，通過碳?xì)滏I活化的機(jī)理去設(shè)計(jì)，催化劑做完第一步后，迫使它同時(shí)完成變形金剛一樣的 “變臉” 過程，變成另外一個(gè)催化劑，就可以適應(yīng)第二步的氧氣活化，而且做完第二步還要 “變臉”，再變回來，變回到原來第一步的催化劑。
這個(gè)思路聽起來很簡(jiǎn)單，其實(shí)在分子設(shè)計(jì)上需要?jiǎng)?chuàng)新，但它在邏輯上是講得通的，把一個(gè)問題剖析成幾個(gè)問題。
《知識(shí)分子》：變臉這個(gè)詞用得很形象。
余金權(quán)：英文表達(dá)的話，就是變形金剛Transformer，一個(gè)人可以變成兩個(gè)形狀。Transformer還有另一層含義，意味著這個(gè)結(jié)果Transform了這個(gè)領(lǐng)域，使整個(gè)領(lǐng)域有了革命性的變化。
《知識(shí)分子》：在這個(gè)過程中，這個(gè)催化劑不再需要其他的條件就能變臉？
余金權(quán)：對(duì)。要設(shè)計(jì)這樣一個(gè)分子，和鈀結(jié)合，當(dāng)鈀進(jìn)行碳?xì)滏I活化的時(shí)候，一般來說這個(gè)配體是不參與的，只是支撐這個(gè)鈀；但現(xiàn)在它不僅僅是一個(gè)配體，它參與了碳?xì)滏I活化以后，就通過電子轉(zhuǎn)移，通過鍵的斷裂迫使它變臉，就可以接著活化氧氣，完成氧氣活化那一步后，又可以變臉回第一步。
《知識(shí)分子》：文章投稿之后的審稿過程順利么？
余金權(quán)：審稿比較難，因?yàn)閷徃迦撕茱@然是仿生催化碳?xì)溲趸膶＜液拖闰?qū)，有著很高水平。他們一直沒有拒絕這篇文章，認(rèn)為這個(gè)工作很好，但也提出了對(duì)我們?cè)O(shè)計(jì)的理論模型非常強(qiáng)烈的質(zhì)疑——因?yàn)檫@些想法確實(shí)和以前的思路大相徑庭。他們提了很多挑戰(zhàn)的實(shí)驗(yàn)讓我們?nèi)プ?，有些是很難的，涉及很復(fù)雜的儀器設(shè)備實(shí)驗(yàn)。
審稿也花了至少半年，審了兩次，審稿意見長(zhǎng)達(dá)七八頁。
《知識(shí)分子》：有沒有覺得一些審稿意見有些苛刻？
余金權(quán)：確實(shí)是非常苛刻。可以理解，可能因?yàn)檫@個(gè)發(fā)現(xiàn)很重要，他們也都是這個(gè)領(lǐng)域的專家。這個(gè)催化劑的工作機(jī)制和他們想的完全不一樣，他們當(dāng)然也希望不是錯(cuò)的；但另一方面肯定覺得不可思議吧。有苛刻的質(zhì)疑，當(dāng)然也并非沒有道理。
有些不合理的要求，比方讓我們把反應(yīng)的機(jī)理，所有的中間體過程全部都證明，那是不可能的。因?yàn)槿魏我粋€(gè)剛發(fā)表的新反應(yīng)，不可能證明所有的機(jī)理，而且他們讓我們做的有些實(shí)驗(yàn)也不可能做，目前沒有這樣的科學(xué)手段可以做到，比如觀察這個(gè)變形怎么進(jìn)行的。
用他們的話說，一方面這個(gè)結(jié)果很重要，沒有什么可爭(zhēng)論的，應(yīng)該發(fā)表，但對(duì)我們這種設(shè)計(jì)模型不是很相信。
《知識(shí)分子》：你曾說過，其實(shí)仿生不一定需要注意機(jī)械形體？
余金權(quán)：這是一個(gè)很簡(jiǎn)單的哲學(xué)道理。模仿別人，不一定要全部模仿，模仿的太厲害了不見得好，因?yàn)槭窃谝粋€(gè)不同的體系——酶這樣一個(gè)蛋白，在水里面鐵可能是最合適，但從我的角度來看，既然我們是在體外，在一個(gè)燒瓶里面做反應(yīng)，不是在生物體內(nèi)，反過來可能要問一個(gè)問題，一定要用鐵去模仿，是不是真的合理？這是一個(gè)值得商榷的問題。
所以模仿可能要借鑒一些根本的東西，整個(gè)過程是氧氣參與，哪些電子被還原，哪些被氧化，鍵怎么形成等等基本的一些理念，可能是要模仿，但不是要完全模仿。就好像跟別人練一套拳，別人穿什么鞋子你也穿什么鞋，那不是根本的東西。說穿了，神似是最重要的。
《知識(shí)分子》：在底物的普適性上，跟氧化酶比較的結(jié)果是？
余金權(quán)：目前通過進(jìn)化優(yōu)化的酶，大部分對(duì)于我們報(bào)道的這些底物不能發(fā)揮作用，往往只有幾個(gè)很特殊的底物才可以。因?yàn)槊妇褪且叨鹊倪x擇性，對(duì)某一個(gè)底物適應(yīng)，但是在有機(jī)合成里面我們要做大量的底物，合成新的分子，如果用進(jìn)化的酶就得重新進(jìn)化，可能會(huì)很慢，但是小分子催化劑就廣譜性很好，一旦發(fā)現(xiàn)根本的一個(gè)設(shè)計(jì)，就會(huì)適應(yīng)一大類底物。
《知識(shí)分子》：為什么小分子催化劑的底物的普適性好？
余金權(quán)：根本上來說，酶的活性來自三維空間的精準(zhǔn)配位，那么對(duì)底物自然就很敏感，一旦底物變化，也會(huì)影響到這種三維空間的精細(xì)的結(jié)合，也就缺乏了靈活性。
但是我們的小分子催化劑一般來說是通過平面的設(shè)計(jì)，也就是兩維空間，一般催化劑結(jié)合點(diǎn)最多是兩點(diǎn)到三點(diǎn)。兩者的效果上的區(qū)別就好像一根繩子捆著，捆了幾百圈就動(dòng)不了，但如果只捆兩三圈，就可以松一松，就可以有靈活性。
《知識(shí)分子》：鈀催化的氧化碳?xì)滏I的底物范圍是？
余金權(quán)：至少可以催化一類底物的反應(yīng)。有機(jī)反應(yīng)一般來說酸或者醇等，可以做這么一大類就夠了。做一類已經(jīng)很廣，很實(shí)用了。一般的標(biāo)準(zhǔn)，任何一個(gè)方法，如果能做1000個(gè)底物以上，可以稱為金標(biāo)準(zhǔn)。底物中的羧基和產(chǎn)物中的羥基都是是最普遍、最重要的官能團(tuán)，所以用途是顯而易見的。
《知識(shí)分子》：下一步的計(jì)劃是？
余金權(quán)：目前我們的催化劑只是催化苯環(huán)一類底物，接下去我們要做脂肪酸，做很多長(zhǎng)鏈，烷烴，把它延伸到各種底物里面去，這個(gè)是很重要的。催化劑還要繼續(xù)改進(jìn)，把它做成手性不對(duì)稱等等?，F(xiàn)在因?yàn)橛羞@個(gè)概念，配體設(shè)計(jì)會(huì)加快，其實(shí)我們實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)有大量的新進(jìn)展正在完善中。
《知識(shí)分子》：除了鈀以外，有沒有可能其他的元素也能勝任？
余金權(quán)：當(dāng)然有可能，但目前來說，因?yàn)槲覀円呀?jīng)工作了20年，對(duì)鈀實(shí)在積累了太多的經(jīng)驗(yàn)，所以很難說別的金屬行不行，但目前來看鈀是絕對(duì)的王者，在碳?xì)浠罨I(lǐng)域沒有一個(gè)別的金屬可以跟鈀相提并論。
我認(rèn)為，最近20年碳?xì)浠罨瘧?yīng)該是鈀的時(shí)代，也許將來有另外的人做出來別的，比如銅。我們也做了很多銅的化學(xué)也不錯(cuò)，但目前離成為一個(gè)時(shí)代還差得很遠(yuǎn)。鈀可以稱為是一個(gè)時(shí)代，無論于理論概念的發(fā)展還是應(yīng)用廣普性的提高，配體鈀催化劑都具有非常主導(dǎo)的地位。
《知識(shí)分子》：這個(gè)工作是你最好的工作之一嗎？
余金權(quán)：如果要選擇，可以說是三個(gè)最大的結(jié)果之一，因?yàn)槲疫€有兩個(gè)方向是跟這個(gè)完全是平行的。
第一個(gè)是建立碳?xì)滏I活化的不對(duì)稱體系。另外一個(gè)就是遠(yuǎn)程的碳?xì)浠罨?0年代有一個(gè)著名的科學(xué)家提出來的猜想，十年前我們提出了基于距離和幾何的概念，找到一系列解決問題的思路。
從學(xué)術(shù)上，從創(chuàng)造性，還有對(duì)整個(gè)化學(xué)的影響，這三個(gè)進(jìn)展可能是我們?cè)谔細(xì)滏I活化里面最重要的工作。最近幾年我們很幸運(yùn)在三個(gè)方面都取得了進(jìn)展。
《知識(shí)分子》：有沒有可能在宇宙的某個(gè)星球，它的生命體用到鈀催化氧化碳?xì)滏I的機(jī)制？
余金權(quán)：這完全有可能。不同的體系，可能造成完全不同的生命。還有一個(gè)，它可能對(duì)能源材料會(huì)有非常深遠(yuǎn)的影響，因?yàn)橐坏┭鯕饪梢曰罨?，可以釋放能量，就有很多巧妙的東西可以設(shè)計(jì)，但我還沒去想怎么去應(yīng)用，畢竟我是做基礎(chǔ)科研的。
我們做的出發(fā)點(diǎn)是去做一個(gè)羥基，然后做合成，但說實(shí)在話，也并非僅僅是想做羥基，還是覺得會(huì)有更多的影響，希望把這個(gè)根本問題解決，怎么去把氧氣活化，同時(shí)可以對(duì)生物體內(nèi)的機(jī)制有新的認(rèn)識(shí)，也可以對(duì)能源材料等有影響。
參考文獻(xiàn)
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