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1.
工业生物催化面临两大重要挑战,一是可工业应用的酶催化反应类型仍然比较有限,远少于化学催化剂,因此需要拓展酶催化的反应类型;二是酶在苛刻的工业催化反应条件下尤其是在高温、有机溶剂、不适宜的pH等环境下稳定性较差,因此需要提高工业酶催化剂的稳定性.研究者已经开发了很多方法,以解决这两方面难题,例如酶的定向进化、定点突变、酶的计算机从头设计和构建人工金属酶等.本文系统介绍了本课题组开发的酶复合催化剂原位合成方法及其生物催化应用,期望为解决工业生物催化的上述挑战提供新思路.原位合成是构建酶-无机晶体复合催化剂的一种简便、高效、普适的方法.酶-无机晶体复合物中,限域包埋使酶具有高于常规固定化酶的催化活性和稳定性.该方法可以简便拓展至其它多种类型的无机晶体材料,显著提高酶的稳定性.无机晶体的限域包埋对酶分子结构和性能有着重要影响,通过理性设计复合催化剂的结构,可实现对酶的活性、稳定性以及多酶反应级联效率的有效调控.本课题组采用分子模拟和实验相结合的方法阐释了多酶-无机晶体复合催化剂所驱动的级联反应效率提高的关键因素.通过调控原位合成中金属离子和有机配体的浓度,实现了酶分子在缺陷型甚至无定形载体中的包埋.在此基础上,深入探讨了缺陷对酶分子结构和催化活性的调控机制,为酶复合催化剂的理性设计提供了依据.同样基于原位合成方法,本课题组构建了酶–金属团簇复合催化剂,实现了温和条件下酶催化和金属催化的高效耦合和协同.以脂肪酶-钯团簇复合催化剂为例,阐明了酶-金属团簇复合催化剂中二者相互作用对酶分子结构和活性以及金属催化活性的影响机制,为酶催化和金属催化相融合的研究提供了重要基础.我们对这一领域存在的挑战和未来重要的研究方向也进行了讨论,希望本文可以从催化剂工程角度为高效酶催化剂的设计以及生物催化应用领域的拓展提供新思路,推动该领域发展.  相似文献   

2.
<正>Angew.Chem.Int.Ed.2015,54,4334~4337受自然界中酶催化反应的启发,人工设计合成的可开关催化剂近年来引起了科学家的重视,其催化活性可以通过一定的外界刺激在"开"和"关"之间可逆切换,实现对催化剂性能的原位时空控制.最近,中国科学院化学研究所范青华课题组通过配体设计,利用主-客体相互作用,首次实现了可开关的过渡金属催化的不对称反应.他们通过  相似文献   

3.
金属催化剂在工业、环境、能源以及生物等过程具有重要的应用.设计具有特定活性、环境友好型以及室温下具有反应活性的催化剂,需要在分子水平对金属催化剂的基元步骤,活性位点的结构以及催化反应微观机理有充分的认识.然而,由于宏观催化剂表面结构异常复杂,催化反应常受到溶剂、压力、金属颗粒团聚、催化剂表面缺陷等因素的干扰,利用现有实验仪器,从微观角度探索金属催化反应机理仍具有较大挑战,因此,对金属催化剂活性位的结构以及反应微观机理的认识还不十分清楚.质谱方法结合现代量子化学理论计算,提供了在气相条件下实验探索化学反应微观机理的有力工具,团簇反应可在隔离外界条件、可控以及可重复条件下进行,可以排除一些难以控制因素的干扰,可在化学键和分子结构水平认识金属活性位的结构以及催化反应的微观机理.气相金属团簇离子可用多种实验方法制备,与反应物分子反应后可利用多种质谱仪器探测,根据实验上所得的具有反应活性的团簇,结合现代量子化学理论模拟,得到金属催化反应的基元步骤以及微观反应机理信息,所得反应机理信息为宏观催化剂的设计提供重要理论研究基础.本综述总结了团簇实验上已经探测到的金属单原子离子、金属团簇、金属氧化物团簇和金属化合物催化的气相反应.反应物分子囊括了大量的无机和有机分子,包括CO,H2,CH4,C2H2,C2H4,C6H6,CH3OH,HCOOH,CH3COOH等.本综述主要介绍了以下三类催化反应:(1)CO催化氧化;(2)CH4催化转化;(3)催化脱羧反应,并重点关注贵金属单原子掺杂团簇独特的催化反应性.单原子催化剂可最大限度地利用有限的贵金属.在化学反应方面,单原子催化剂具有特异的反应活性,选择性以及稳定性.本综述对气相团簇反应中报道的两个重要的贵金属单原子掺杂团簇的催化反应进行了详细介绍:(1)金原子掺杂的AuAl3O3-5+团簇为首次报道的可以利用分子氧催化氧化CO的团簇单原子催化剂,我们对Au原子起催化作用的本质原因进行了介绍:(2)铂原子掺杂的PtAl3O5-7-团簇能利用分子氧催化氧化CO,该研究提出了"电负性阶梯"效应来解释Pt原子催化的微观机理,且此效应有望对大部分贵金属适用.此外,本综述对CO催化氧化反应和CH4催化转化反应的研究现状以及尚未解决的问题进行了剖析.相比CO的催化氧化反应,科学家对CH4催化转化反应机理的认识还不够深入,还需要进一步实验研究,而团簇单原子催化剂有望在此领域有所突破.  相似文献   

4.
(μ3-S)Fe2CoCu(PPh3)2(CO)8催化苯乙烯环丙烷化反应研究   总被引:1,自引:0,他引:1  
陈致  张玉华 《分子催化》2000,14(4):307-310
以异核金属原子簇合物为催化剂的配位催化反应, 已在均相催化反应中得到应用. 簇合物中不同金属间的协同作用使其在催化领域展现出广阔的应用前景[1]. 然而,催化反应中簇合物是否以完整的骨架起催化作用,一直是人们关注的焦点. 在金属原子簇作催化剂前体的均相催化反应中,迄今只在少数的例子中有确凿的证据表明原子簇整体分子起催化作用[2]. 一般认为,在配位饱和的金属簇合物的催化反应中,簇合物稳定性越好,催化活性越差;而活性好的催化剂前体,簇合物骨架常解体.  相似文献   

5.
金属催化剂在工业、环境、能源以及生物等过程具有重要的应用.设计具有特定活性、环境友好型以及室温下具有反应活性的催化剂,需要在分子水平对金属催化剂的基元步骤,活性位点的结构以及催化反应微观机理有充分的认识.然而,由于宏观催化剂表面结构异常复杂,催化反应常受到溶剂、压力、金属颗粒团聚、催化剂表面缺陷等因素的干扰,利用现有实验仪器,从微观角度探索金属催化反应机理仍具有较大挑战,因此,对金属催化剂活性位的结构以及反应微观机理的认识还不十分清楚.质谱方法结合现代量子化学理论计算,提供了在气相条件下实验探索化学反应微观机理的有力工具,团簇反应可在隔离外界条件、可控以及可重复条件下进行,可以排除一些难以控制因素的干扰,可在化学键和分子结构水平认识金属活性位的结构以及催化反应的微观机理.气相金属团簇离子可用多种实验方法制备,与反应物分子反应后可利用多种质谱仪器探测,根据实验上所得的具有反应活性的团簇,结合现代量子化学理论模拟,得到金属催化反应的基元步骤以及微观反应机理信息,所得反应机理信息为宏观催化剂的设计提供重要理论研究基础.本综述总结了团簇实验上已经探测到的金属单原子离子、金属团簇、金属氧化物团簇和金属化合物催化的气相反应.反应物分子囊括了大量的无机和有机分子,包括CO,H_2,CH_4,C_2H_2,C_2H_4,C_6H_6,CH_3OH,HCOOH,CH_3COOH等.本综述主要介绍了以下三类催化反应:(1)CO催化氧化;(2)CH4催化转化;(3)催化脱羧反应,并重点关注贵金属单原子掺杂团簇独特的催化反应性.单原子催化剂可最大限度地利用有限的贵金属.在化学反应方面,单原子催化剂具有特异的反应活性,选择性以及稳定性.本综述对气相团簇反应中报道的两个重要的贵金属单原子掺杂团簇的催化反应进行了详细介绍:(1)金原子掺杂的Au Al_3O_(3-5)~+团簇为首次报道的可以利用分子氧催化氧化CO的团簇单原子催化剂,我们对Au原子起催化作用的本质原因进行了介绍:(2)铂原子掺杂的Pt Al_3O_(5-7)~-团簇能利用分子氧催化氧化CO,该研究提出了"电负性阶梯"效应来解释Pt原子催化的微观机理,且此效应有望对大部分贵金属适用.此外,本综述对CO催化氧化反应和CH_4催化转化反应的研究现状以及尚未解决的问题进行了剖析.相比CO的催化氧化反应,科学家对CH4催化转化反应机理的认识还不够深入,还需要进一步实验研究,而团簇单原子催化剂有望在此领域有所突破.  相似文献   

6.
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(Pd1/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Pd1/...  相似文献   

7.
赵莹  吴春洋  张红丹  程鹏 《化学通报》2023,86(6):682-689
沸石分子筛是一类孔隙均匀、结晶度高、结构多样、比表面积大的材料,在催化、分离、吸附等方面得到了广泛的应用。沸石分子筛已被证明是金属纳米粒子(MNPs)的理想载体。金属纳米粒子@沸石分子筛催化剂不仅表现出优异的催化活性,而且具有较高的稳定性和择形催化性。此外,限域的金属纳米粒子与具有活性位点的纳米孔骨架的协同作用可以进一步提高复合催化剂的催化活性。金属纳米粒子@沸石分子筛催化剂由于具有较高的活性、择形性和热稳定性等优点,在工业相关应用中引起了人们的极大关注。本文综述了金属纳米粒子@沸石分子筛催化剂的研究进展,重点介绍了多种合成方法以及其在氢化和氧化反应中的应用进展。指出了金属纳米粒子@沸石分子筛催化剂领域存在的问题和挑战并对其未来发展进行展望。  相似文献   

8.
上官莉  徐璇  刘松琴 《电化学》2019,25(3):302-311
研究酶的组装和催化反应不仅有利于探索生命活动的本质,同时对开发酶在工业合成、分析检测、疾病治疗等领域的实际应用价值具有重要的指导意义. 研究发现,酶的有效固定和有序组装是保持酶活性、酶促反应的稳定性和对酶催化过程进行控制的重要途径,而在纳米通道内进行单酶或多酶的有序组装,利用纳米通道的限域效应可有效保持酶的构型进而提高酶催化反应的选择性和催化效率,增强酶级联反应的动力学进程. 本文概述了近年来基于纳米通道的酶反应器在生物传感领域的研究进展,着重描述纳米通道限域空腔内酶的组装方法、酶催化反应及其动力学机制,并展望了基于纳米通道的酶反应器的应用前景.  相似文献   

9.
扈殿文  宋晓静  吴淑杰  杨晓彤  张浩  常鑫瑜  贾明君 《催化学报》2021,42(2):356-366,后插54-后插55,封3
金属有机框架材料是一类新型晶体孔性材料,在气体储存、物质分离、非线性光学及催化等领域中具有潜在应用价值.其中,基于锆氧簇和有机配体构筑的锆基金属有机框架材料(ZrMOFs)因其具有更高的结构稳定性而备受关注.研究表明,将多金属氧酸盐(POM)负载在ZrMOFs载体上能够获得一类新型复合材料催化剂.这类材料具有可调控的酸性和氧化还原性,已在一些固体酸催化及选择氧化(包括烯烃环氧化)等反应中表现出优异的催化性能.多金属氧酸盐通常可以通过简单的浸渍法引入到ZrMOFs载体上,但这种方法制备的催化剂普遍存在活性组分分散不均匀且易于在液相催化反应过程中发生活性组分流失的问题.因此,当前的研究重点主要集中在如何通过简单有效的制备方法获得结构更加稳定、性能更加优异的复合材料催化剂.近期,国内外多个研究小组分别报道了采用溶剂热法能够一步合成出POM@ZrMOFs复合材料,这类材料的主要特点是POM团簇能够均匀的分散在ZrMOFs孔道中,从而使其在氧化脱硫及烯烃选择氧化等反应中表现出更高的稳定性.考虑到POMs及ZrMOFs种类和结构的多样性,可以预期这类复合材料的合成及催化性能研究仍有很大的发展空间.本文采用溶剂热法将磷钼酸(PMo12)及钴取代磷钼酸(PMo11Co)限域在一类ZrMOFs材料(UiO-66)的孔道中,得到了两种复合材料催化剂,分别记为PMo12@UiO-66和PMo11Co@UiO-66.通过以叔丁基过氧化氢(t-BuOOH)为氧化剂烯烃环氧化反应考察了其催化性能.相较于PMo12@UiO-66,含有钴取代磷钼酸的PMo11Co@UiO-66杂化材料表现出了更高的催化活性和稳定性.催化剂经简单的过滤和洗涤后即可循环使用多次,且催化性能基本保持不变.值得一提的是,PMo11Co@UiO-66对多种类型烯烃的环氧化反应均表现出较高的催化活性和环氧选择性.例如,在加入自由基抑制剂对二苯酚后,柠檬烯选择性氧化为柠檬烯-1,2-环氧化物的选择性可以达到91%,性能明显优于文献中报道的其它类型催化剂.此外,溶剂种类对PMo11Co@UiO-66的催化活性有着显著的影响,在极性相对较强的乙醇、乙腈等溶剂中,催化剂的活性较低;在极性较弱的甲苯、氯仿,四氯化碳等溶剂中,催化剂的活性则相对较高.溶剂极性的差异会影响反应物分子与催化剂活性中心的接触情况,继而对催化剂的活性产生较大影响.采用X射线衍射、氮吸附-脱附、X射线光电子能谱、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)等手段对催化反应前后的PMo11Co@UiO-66催化剂进行了表征.结果表明,在溶剂热法合成的杂化材料催化剂中,引入的POM团簇能够均匀的分散在UiO-66框架材料的孔道和笼中;催化剂反应前后的组成与结构没有发生明显的变化.结合相关文献报道的结果,可以认为杂原子Co的引入能够产生类似于Co–O–Mo的新的活性中心,从而使PMo11Co@UiO-66表现出更高的催化活性.催化剂的高稳定性应主要归因于UiO-66框架对PMo11Co团簇的空间限域作用.这种空间限域作用能够使PMo11Co团簇被封装在UiO-66的八面体笼中,且二者之间还存在着较强的金属-载体间相互作用.在后续的工作中,我们还将继续深入研究PMo11Co@UiO-66催化剂的活性中心性质及其对分子氧的活化能力,加深对催化作用机制等问题的理解,进一步扩大这类复合材料催化剂的应用范围.  相似文献   

10.
酶是一类特殊、高效的催化剂,或称生物催化剂。与普通催化剂不同之处,在于它不是简单的无机或有机化合物,或过渡金属络合物,而是由活细胞所产生的生物大分子。酶催化反应也属均相催化反应,所不同的是它的反应介质通常是水,而不是其他均相催化反应所赖以进行的有机溶剂。新近发展的固定化酶,又使酶催化由均相发展为非均  相似文献   

11.
Long sought after [4+2] cyclases have sprouted up in numerous biosynthetic pathways in recent years, raising hopes for biocatalytic solutions to cycloaddition catalysis, an important problem in chemical synthesis. In a few cases, detailed pictures of the inner workings of these catalysts have emerged, but intense efforts to gain deeper understanding are underway by means of crystallography and computational modelling. This Minireview aims to shed light on the catalytic strategies that this highly diverse family of enzymes employs to accelerate and direct the course of [4+2] cycloadditions with reference to small-molecule catalysts and designer enzymes. These catalytic strategies include oxidative or reductive triggers and lid-like movements of enzyme domains. A precise understanding of natural cycloaddition catalysts will be instrumental for customizing them for various synthetic applications.  相似文献   

12.
Through several waves of technological research and un-matched innovation strategies, bio-catalysis has been widely used at the industrial level. Because of the value of enzymes, methods for producing value-added compounds and industrially-relevant fine chemicals through biological methods have been developed. A broad spectrum of numerous biochemical pathways is catalyzed by enzymes, including enzymes that have not been identified. However, low catalytic efficacy, low stability, inhibition by non-cognate substrates, and intolerance to the harsh reaction conditions required for some chemical processes are considered as major limitations in applied bio-catalysis. Thus, the development of green catalysts with multi-catalytic features along with higher efficacy and induced stability are important for bio-catalysis. Implementation of computational science with metabolic engineering, synthetic biology, and machine learning routes offers novel alternatives for engineering novel catalysts. Here, we describe the role of synthetic biology and metabolic engineering in catalysis. Machine learning algorithms for catalysis and the choice of an algorithm for predicting protein-ligand interactions are discussed. The importance of molecular docking in predicting binding and catalytic functions is reviewed. Finally, we describe future challenges and perspectives.  相似文献   

13.
In recent years vanadium catalysis has been extended to a range of different and even complementary directions in asymmetric synthesis. Inspired by nature’s way to activate both substrate and reagent in many cases, the design of efficient bifunctional and dinuclear vanadium catalysts has been achieved. Furthermore, vanadium catalysis has been an early field in which “hybrid catalysts” have been studied in detail by incorporation of oxovanadium complexes into proteins, thus giving artificial enzymes. In addition, a high compatibility of vanadium with proteins enabled the use of vanadium chemocatalysts for combinations with enzyme catalysis in one‐pot, thus leading to dynamic kinetic resolutions. In this contribution, these three concepts of vanadium catalysis opening up new perspectives for asymmetric synthesis are reviewed.  相似文献   

14.
The potential to exert atomistic control over the structure of site-isolated catalyst sites, as well as the topology and chemical environment of interstitial pore spaces, has inspired efforts to apply porous metal-organic frameworks (MOFs) as catalysts for fine chemical synthesis. In analogy to enzyme-catalyzed reactions, MOF catalysts have been proposed as platforms in which substrate confinement could be used to achieve chemo- and stereoselectivities that are orthogonal to solution-phase catalysts. In order to leverage the tunable pore topology of MOFs to impact catalyst selectivity, catalysis must proceed at interstitial catalyst sites, rather than at solvent-exposed interfacial sites. This Minireview addresses challenges inherent to interstitial MOF catalysis by 1) describing the diffusional processes available to sorbates in porous materials, 2) discussing critical factors that impact the diffusion rate of substrates in porous materials, and 3) presenting in operando experimental strategies to assess the relative rates of substrate diffusion and catalyst turnover in MOF catalysis. It is anticipated that the continued development of in operando tools to evaluate substrate diffusion in porous catalysts will advance the application of these materials in fine chemical synthesis.  相似文献   

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This review describes the current state of biocatalysis in the chemical industry. Although we recognize the advantages of chemical approaches, we suggest that the use of biological catalysis is about to expand dramatically because of the recent developments in the artificial evolution of genes that code for enzymes. For the first time it is possible to consider the rapid development of an enzyme that is designed for a specific chemical reaction. This technology offers the opportunity to adapt the enzyme to the needs of the process. We describe herein the development of enzyme evolution technology and particularly DNA shuffling. We also consider several classes of enzymes, their current applications, and the limitations that should be addressed. In a review of this length it is impossible to describe all the enzymes with potential for industrial exploitation; there are other classes, which given appropriate activity, selectivity, and robustness, could become useful tools for the industrial chemist. This is an exciting era for biocatalysis and we expect great progress in the future.  相似文献   

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Heterogeneous catalysis is one of the oldest nanosciences. Although model catalysts can be designed, synthesized, and, to a certain degree, characterized, industrial heterogeneous catalysts are often chemically and physically complex systems that have been developed through many years of catalytic art, technology, and science. The preparation of commercial catalysts is generally not well controlled and is often based on accumulated experiences. Catalyst characterization is thus critical to developing new catalysts with better activity, selectivity, and/or stability. Advanced electron microscopy, among many characterization techniques, can provide useful information for the fundamental understanding of heterogeneous catalysis and for guiding the development of industrial catalysts. In this article, we discuss the recent developments in applying advanced electron microscopy techniques to characterizing model and industrial heterogeneous catalysts. The importance of understanding the catalyst nanostructure and the challenges and opportunities of advanced electron microscopy in developing nanostructured catalysts are also discussed.  相似文献   

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金属有机骨架(MOFs)材料因具有无机和有机的杂合性质、高度有序的多孔性、结构可修饰性、比表面积大和孔隙率高等特点,在催化领域具有广阔的应用前景。本文从氢能的开发利用角度出发,在纯MOFs、MOFs复合及衍生材料三个方面对近十年来过渡金属MOFs基催化剂在电解水制氢方面的重要研究进展进行了综述,着重针对材料的合成进行了探讨,以及在基础研究和产业应用的角度指出当前过渡金属MOFs基制氢催化剂面临的挑战和机遇,对其应用前景进行展望。  相似文献   

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Foldamers are non‐natural oligomers that adopt stable conformations reminiscent of those found in proteins. To evaluate the potential of foldameric subunits for catalysis, semisynthetic enzymes containing foldamer fragments constructed from α‐ and β‐amino acid residues were designed and characterized. Systematic variation of the α→β substitution pattern and types of β‐residue afforded highly proficient hybrid catalysts, thus demonstrating the feasibility of expanding the enzyme‐engineering toolkit with non‐natural backbones.  相似文献   

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With the recent advances in nanoscience and nanotechnology, more and more nanoparticle catalysts featuring high accessibility of active sites and high surface area have been explored for their use in various chemical transformations, and their rise in popularity among the catalysis community has been unprecedented. The industrial applications of these newly discovered catalysts, however, are hampered because the existing methods for separation and recycling, such as filtration and centrifugation, are generally unsuccessful. These limitations have prompted development of new methods that facilitate separation and recycling of nanoparticle catalysts, so as to meet the burgeoning demands of green and sustainable chemistry. Recently, we have found that Pickering‐emulsion inversion is an appealing strategy with which to realize in situ separation and recycling of nanoparticle catalysts and thereby to establish sustainable catalytic processes. We feel that at such an early stage, this strategy, as an alternative to conventional methods, is conceptually new for readers but that it has potential to become a popular method for green catalysis. This Concept article aims to provide a timely link between previous efforts and both current and future research on nanoparticle catalysts, and is expected to facilitate further investigation into this strategy.  相似文献   

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