科学家设计MOF材料模拟酶的活性，实现用氧气将乙烷氧化
在自然界中，酶的功能非常强大，其通常能够在温和的条件下进行氧气活化，并生成高反应活性的物种。在最近的一项科学研究中，科学家通过设计人工材料实现了对酶反应的仿生。
近期，美国加州大学伯克利分校杰弗里·龙（Jeffrey Long）教授团队受自然界启发，设计了一种新型金属有机框架（Metal-Organic Framework，MOF）材料，让活泼的中间体高自旋四价铁氧 Fe（IV）=O，能够与不活泼的碳-氢（C-H）键发生反应。
这是一类含铁的 MOF 材料，具体为 FexZn5−x(prv)4(btdd)3 和 FeZn4(moba)4(btdd)3，其酶活性位点的结构与α-酮戊二酸依赖性双加氧酶非常相似。
根据相关实验结果，这种 MOF 材料可在氧气条件下催化碳氢化合物的氧化反应，包括将乙烷氧化成乙醇。该研究为通过低成本氧化剂（比如氧气），实现将气体转化成液体提供了一种新思路。
“我们开发的 MOF 是一种固体材料，可以在很低的温度（100K）下，利用铁（II）位点实现与氧气反应生成高自旋四价铁氧物种，进而氧化底物。”该论文共同第一作者、加州大学伯克利分校侯凯鹏博士（现为加州大学旧金山分校博士后研究员）表示。
图丨侯凯鹏（来源：侯凯鹏）
近日，相关论文以《金属有机框架直接活化氧气生成高自旋铁氧物种》（Reactive high-spin iron(IV)-oxo sites through dioxygen activation in a metal–organic framework）为题发表在 Science[1]。
美国加州大学伯克利分校侯凯鹏博士（现为加州大学旧金山分校博士后研究员）、博士后研究员乔纳斯·博格尔（Jonas Börgel）为该论文的共同第一作者，杰弗里·龙（Jeffrey Long）教授为该论文的通讯作者。
图丨相关论文（来源：Science）
在自然界中，酶蛋白稳定存在的前提是在有水的环境，因此，对于酶的研究绝大部分在零度以上的条件下进行。而该研究中的 MOF 材料不止于实现与酶相似的活性，还实现了环境条件的“超越”。
具体来说，通过在新型 MOF 材料中构建位点，不仅结构与酶α-酮戊二酸依赖性双加氧酶相近，其还在 100 K 的低温条件下实现了氧气的活化。
（来源：Science）
据介绍，在该研究中最大的挑战在于中间体高自旋四价铁氧的表征。为此，研究人员在筛选不同温度后，得到了稳定的中间体。侯凯鹏表示，“很长一段时间内，我们都认为中间体可能在 198K 是稳定的。但在研究过程中，我们发现它的反应活性非常高，需要把温度降到 150K 左右，中间体才比较稳定。”
另外，研究团队和合作者利用多样化手段对相关物质进行表征，包括原位漫反射红外傅立叶变换、原位和变场穆斯堡尔、铁 Kβ X 射线发射和核共振振动光谱。研究人员通过在晶格中固定金属中心的方式，防止中间体由于二聚化或因分子内配体氧化而产生分解。
图丨高自旋四价铁氧物种原位和变场穆斯堡尔谱分析（来源：Science）
该研究的应用前景主要体现在两方面。一方面，将氧气作为氧化剂构建碳-氧键，进行药物分子合成；另一方面，该研究为未来应用在对天然气中乙烷、甲烷的氧化提供了新的可能性。因此，如何实现甲烷在温和条件下的氧化，以及探索在工业上的可行性，也是该课题组目前正在探索的方向之一。
“甲烷是一种导致温室效应的气体，其影响是二氧化碳的几十倍。并且，甲烷作为气体在运输方面非常困难，如果能够用一种高效的方法通过低成本氧化剂（比如氧气），实现将气体转化成液体，即把甲烷转化为重要的工业原料甲醇，将有利于甲烷的储存及运输。”侯凯鹏说。
（来源：Science）
该研究是侯凯鹏在博士阶段的研究成果，基于人工的材料 MOF 模仿酶的功能。目前，他在加州大学旧金山分校开展博士后研究，主要研究方向为蛋白设计，通过设计人工酶实现对反应手性选择性的控制。
这里提及的蛋白设计，是根据物理规律从头设计蛋白。这个蛋白不同于自然界任何的蛋白，它的序列以及结构是在自然界的蛋白中未知的。他希望通过将合成化学领域的知识应用到蛋白设计，从而设计出自然界没有的活性，并深入探索生物催化领域。
参考资料：
1.Hou，K. et al. Reactive high-spin iron(IV)-oxo sites through dioxygen activation in a metal–organic framework. Science 382,6670, 547-553(2023). https://www.science.org/doi/10.1126/science.add7417
排版：罗以