氧化还原酶区域功能化微电极的制备及其无线双极电化学酶促合成探索

Electroenzymatic synthesis is a promising approach in the field of chiral product synthesis due to its high regio- and stereoselectivity for enzymatic reactions and the facility in final product purification. In order to resolve the current problems caused by large-sized porous electrode configuration in the field of electroenzymatic synthesis, such as non-uniform enzymes functionalization or diffusion limitation, we propose here a new concept of “wireless” bipolar electroenzymatic synthesis for enzyme functionalized micro-electrodes in the form of suspension. For NAD-dependent redox enzymatic system, after the bulk synthesis of microelectrodes which are co-functionalized with redox enzymes and catalysts independently in different regions, by adjusting the orientation and the strength of the electric field, we expect that the extremity of the suspended microelectrodes will be polarized, electrochemical reaction will be triggered at a specific region of the electrode, and the electrons will be transferred from the microelectrode to the enzymatic system continuously. This will be the first “wireless” approach in the field of electroenzymatic synthesis for micro-sized electrodes, and it is expected to dramatically improve the efficiency of the electroenzymatic system and constitutes a significant advance in this field.

由于酶促反应的精确区域和立体选择等特性，电化学酶促合成在手性分子合成领域具有巨大潜力。电化学作为一种可以持续向酶促系统提供电子的手段，不仅保证了合成过程的持续性，且大大简化了产物的提纯步骤。针对目前传统的电化学酶促合成体系中由大尺寸多孔块状电极结构而造成的酶功能化区域不可控和扩散限制等难题，本项目提出通过“无线双极电化学”将小尺寸的酶功能化微电极应用于电化学酶促合成。针对烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)依赖型氧化还原酶系统，拟通过对双极电化学电场的调控，实现铑催化剂和酶在微电极上的分区域共固定。在区域功能化微电极批量制备的基础上，通过调节双极电化学电场使悬浮液中的多个酶功能化微电极两端极化并触发电化学反应，实现电子从微电极向酶促体系的持续传输，进行电化学酶促合成。本项目的顺利开展将首次实现酶功能化微电极的“无线”双极电化学酶促合成，为多种氧化还原酶的高效电化学酶促合成开辟一条有效的新途径。

项目执行期间，针对传统电化学酶促合成体系中大尺寸多孔电极所面临的扩散限制问题，尝试以多个小尺寸微电极替代传统电化学中的单个大尺寸电极，以烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）依赖型脱氢酶为模型催化剂，以[Cp*Rh(bpy)Cl]+)电子中介体功能化微电极为模型电极，构建了基于无线电子传输的“双极电化学酶促催化体系”。研究发现电子中介体的负载和微电极数量的调控可以有效解决传统电化学体系中“扩散限制”的问题，从而实现体相溶液中的高效无线电化学催化合成，为提高电化学酶促合成反应效率开辟了新的途径。.1.以电子中介体功能化的微碳球作为模型双极电极，通过添加粘性电解质，首次构建了3D悬浮多微电极体系，在合适强度电场的极化下微电极的两端能够分别触发电化学氧化和还原反应，实现辅酶NADH的无线电化学再生，这种新型的3D悬浮微电极体系可以突破扩散限制，有效提高酶电催化体系的反应效率。.2.以平面电极表面构筑的多孔金属-有机框架（NU-1000）薄膜为载体，实现了对电极表面电子中介体的高效负载，实验发现在这种具有3D结构的NU-1000薄膜中，电子以“跃迁”的方式进行高效传输，反应体系的电化学催化性能随电子中介体负载密度的增加而线性提升。.3.在玻碳微球电极表面原位生长功能化的NU-1000薄膜，通过简单的机械搅拌实现了微电极在溶液中的3D悬浮，由于避免了粘性电解质的使用，这种机械搅拌悬浮体系兼具高效的电子传输和物质传输效率，为进一步提升体系的电催化反应效率提供了新的机遇。