Enzym-Metall-Einzelatom-Hybridkatalysatoren für effiziente chemoenzymatische Ein-Topf-Reaktionen

Die Verschmelzung verschiedener Arten der Katalyse, einschließlich der enzymatischen, homogenen und heterogenen Katalyse, ist von grundlegender Bedeutung sowohl für das Verständnis der Katalyse auf atomarer Ebene als auch für die Entwicklung neuartiger Hybridkatalysatoren. Letzteres weist den Weg zum idealen Katalysator, der komplexe Tandemreaktionen effizient in einem Topf durchführen und den gesamten chemischen Produktions- und Trennungsprozess vereinfachen kann. Künstliche Enzyme, die enzymatische, homogene und heterogene Katalyse miteinander verbinden, stellen eine vielversprechende Plattform für die Entwicklung neuartiger Hybridkatalysatoren dar, die unter Umgebungsbedingungen effizient arbeiten und das oben genannte Ziel erreichen können.

Die gerichtete Evolution wurde angewandt, um das aktive Zentrum eines Enzyms mit hoher Effizienz zu verändern, und es wurden künstliche Metalloenzyme erzeugt, indem das ursprüngliche Metallatom am aktiven Zentrum durch ein neues ersetzt wurde. Diese Methoden sind erfolgreich, aber in der Regel werden nur die ursprünglichen aktiven Stellen von Enzymen verändert, was bedeutet, dass das veränderte Enzym möglicherweise nur eine einzige Reaktion katalysieren kann. Inspiriert von den atomar verteilten Metallkatalysatoren, die eine Brücke zwischen der homogenen und der heterogenen Katalyse schlagen, wird vorgeschlagen, dass die Verankerung einzelner Metallatome an den nicht aktiven Stellen eines Enzyms zu einem künstlichen Enzym führen kann, das sowohl die ursprüngliche aktive Stelle als auch die neuen aktiven Stellen der einzelnen Metallatome aufweist und so die enzymatische und die Einzelatomkatalyse miteinander verbindet.

Kürzlich berichtete ein Forscherteam unter der Leitung von Prof. Jun Ge von der Tsinghua-Universität über den ersten Enzym-Metall-Einzelatom-Hybridkatalysator, der durch einen photochemischen Ansatz hergestellt wurde. Die mit einzelnen Pd-Atomen verankerte Lipase (_Pd1/CALB-P) zeigt eine ausgezeichnete Aktivität und Selektivität in der chemoenzymatischen Ein-Topf-Kaskadenreaktion zur asymmetrischen Synthese von(R)-1-(4-Biphenyl)-Ethanol. Es kann effizient Ein-Topf-Kaskadenreaktionen in wässriger Lösung bei ^30°Cdurchführen, um eine einfache Synthese von chiralen Biarylalkoholen zu erreichen, die wichtige pharmazeutische Zwischenprodukte sind, die traditionell komplexe Syntheseverfahren erfordern. Die Geschwindigkeit der Bildung von (R)-1-(4-Biphenyl)-Ethanol, die durch _Pd1/CALB-P katalysiert wird, ist mehr als 30-mal höher als die der Kombination aus kommerziellem Palladium auf Kohlenstoff (Pd/C) und Lipase-Pluron-Konjugat (CALB-P). Der Enzym-Metall-Einzelatom-Hybridkatalysator bietet eine vielversprechende Strategie für die effektive Verschmelzung von enzymatischer und Einzelatomkatalyse.