理化所在仿生限域膜催化流動手性合成方面取得新進展

生物酶催化劑得益于酶分子通道的限域作用，使其可以實現低能耗、高轉化率、高選擇性、快速反應的化學合成。通過學習酶分子通道的結構，研究人員發展出了一系列納米多孔材料作為納米限域催化劑，可以降低反應溫度并提高反應效率，但要實現接近酶催化的反應性能仍然是一個挑戰。2018年，理化所江雷院士提出了“量子限域超流”的概念，并指出將其引入化學領域，將引發出精準高效的化學合成，即“量子限域超流化學反應”。理化所張錫奇副研究員團隊將這個概念結合到仿生限域膜催化流動化學合成中，在室溫條件下實現了快速高效的Knoevenagel縮合反應（Matter, 2023, 6, 1173-1187）及阿司匹林合成（Adv. Mater., 2023, 2310954）。將仿生限域膜催化流動化學合成進一步拓展到手性合成領域，探索限域膜通道對反應立體選擇性的影響，以提高反應產物的立體選擇性，是一個具有重要意義和挑戰性的課題。

為此，理化所張錫奇副研究員團隊通過堆疊氧化石墨烯（GO）納米片，構建了具有連續二維限域通道的仿生限域膜式反應器，在室溫下實現了快速高效的定向流動環氧化合物開環反應，反應轉化率為100%，反應時間小于120 s。在限域反應條件下，反應主產物具有與反應物手性氧化苯乙烯相同的構型，而體相反應主產物的構型則截然相反（圖1A，B）。為探究限域條件下獨特的手性轉化機理，研究人員以(S)-氧化苯乙烯與異丙醇的反應為例，通過DFT計算表明，在GO膜層間的納米限域作用下，GO納米片表面羥基作為親核試劑優先進攻帶正電的環氧中間體，改變了開環反應路徑，同時降低了反應活化能（圖1C）。此外，研究人員進一步對烷基醇底物進行了拓展（圖2A），在限域反應中，同構型產物的對映體過量隨著烷基電荷的增加而增加（圖2B，C）。這項工作在二維納米限域通道內實現了具有特定反應立體選擇性的快速流動環氧開環反應，為仿生限域膜催化流動手性合成提供了新的途徑。

相關研究成果以Research Article的形式發表在Advanced Science雜志上（DOI:10.1002/advs.202308388），文章的通訊作者為中國科學院理化技術研究所張錫奇副研究員和華南師范大學彭導靈教授，第一作者為中國科學院理化技術研究所博士研究生傅江瑋和龐帥。

該工作得到了理化所江雷院士的悉心指導，華南師范大學彭導靈教授在理論計算方面提供了重要支持，同時得到了上海理工大學宋波教授、理化所博士生張玉輝和李響的大力合作和幫助。這項工作得到了國家重點研發計劃（2021YFA1200402）、國家自然科學基金（52373219、51973227、21988102）和中國科學院青年創新促進會（2020028）等項目的資助。

仿生限域膜催化高效流動手性開環反應。A.(S)-氧化苯乙烯與醇的開環反應；B.體相和限域條件下反應的立體選擇性相反；C.理論計算模擬限域反應路徑。