Chem. Sci.：“沸石＋酶”混合多相催化剂玩转串联反应

在化学领域中，遵循绿色化学原则开发可持续合成路线极其重要，不仅能最大程度地提高反应的转化率和产量，而且还能减少能源消耗和废物生成。酶，这种生物催化剂通常在水相且温和条件下（比如温度和pH）工作，活性高、特异性强，但稳定性较差，容易失活，不太容易直接用于大规模化学反应的催化。沸石等无机催化剂在多相催化中稳定性好，用途广泛。如果能够将各有所长的酶催化和多相催化成功结合起来，则很有可能促进工业相关新型串联反应的开发。将酶固定在无机催化剂固体之上，得到兼具化学和生物催化活性的高效双功能混合催化剂，用于催化化学-酶反应，似乎是个很有吸引力的思路。但是这其中也存在不少挑战。首先，寻找对于酶和无机催化剂都合适的反应条件并非易事；另外，由于这二者通常不相容，想要制备高效的化学-酶混合多相催化剂也相当复杂。以沸石为例，由于沸石的微孔无法容纳酶，目前只能在沸石催化剂的外表面上固定酶，总体来说效率不高。

近日，比利时鲁汶大学的Damien P. Debecker教授团队首次报道了一种新型的基于中空沸石微球的沸石-酶混合多相催化剂，用于催化新型串联反应。其中，中空沸石微球由沸石纳米晶体通过气溶胶辅助组装而成，具有开放的酶通道，酶分子能够进入微球内的空腔，随后进行交联形成交联酶聚集体（cross-linked enzyme aggregate, CLEA），从而确保酶被保留在沸石微球内部，得到沸石-酶混合多相催化剂。这种设计下，结构化的沸石材料既作为酶的载体，又作为一种有效的无机催化剂。以葡萄糖氧化酶（GOx）和钛硅沸石-1（TS-1）沸石为例，GOx可原位产生H₂O₂，随后H₂O₂被TS-1沸石用于催化烯丙醇的环氧化来制备缩水甘油。该策略还可以用于负载其他酶或酶的组合，例如辣根过氧化物酶（HRP）和GOx。相关工作发表在Chemical Science 上。

图1. 混合多相催化剂GOx_X@TS-1_Aer的合成示意图。图片来源：Chem. Sci.

首先来介绍混合多相催化剂的合成方法（图1）。无机催化剂是由TS-1胶体悬浮液（约10 wt％）、含有pluronic F127的透明二氧化硅前体溶液以及四丙基铵阳离子（TPA⁺）模板剂通过气溶胶法制备而成，记为“TS-1_Aer”。通过离心分离10 wt％ TS-1胶体悬浮液得到TS-1纳米晶体，然后在空气中干燥和煅烧，得到的参比催化剂记为“TS-1”。通过浸渍沉淀法将酶负载在TS-1_Aer上，从而在中空球体内部形成交联酶聚集体（图1b），所得的混合双功能催化剂记为“GOx_X@TS-1_Aer”，其中X代表在浸渍过程中所用酶溶液的浓度。

接下来，作者对这三种催化剂进行了表征。如图2a、2b所示，TS-1_Aer和TS-1的DRUV-vis光谱和PXRD图谱相似，表明经气溶胶处理后，Ti物种和TS-1结晶度没有发生变化。图2c显示了TS-1和TS-1_Aer的吸附孔径分布图（PSD），证实了TS-1_Aer的外壳是多孔性的，存在大量10-20 nm的介孔，可以扩散单个GOx。SEM-FEG图像显示TS-1_Aer的单个晶体颗粒呈球形，同时在其表面上可以看到包埋的TS-1晶体、多孔二氧化硅相以及它们之间的空隙（图3a、3b）。图3c-d显示了从3D模型中提取的典型（xy）切片，可以清晰地看到TS-1_Aer微球是中空的，对于3 µm大小的微球中空孔道直径约为1.2 µm，对于1.2 µm大小的微球中空孔道直径约为 400 nm。

图2. TS-1和TS-1_Aer的表征。图片来源：Chem. Sci.

图3. TS-1_Aer的结构表征。图片来源：Chem. Sci.

随后，作者比较了TS-1_Aer和TS-1在水相（45 °C）中催化烯丙醇环氧化的活性。图4a显示TS-1_Aer的催化活性低于TS-1。但是，按照TS-1晶体的量归一化后，这两种催化剂的速率常数大致相同，表明TS-1_Aer中TS-1晶体的固有活性得以完全保留。此外，与TS-1相同，TS-1_Aer仍对环氧产物具有完全的选择性。可回收性研究表明，TS-1_Aer的催化活性在经历连续三个的周期后仍能保留（图4b）。

图4. TS-1_Aer和TS-1催化性能的研究。图片来源：Chem. Sci.

不同于将酶接枝到沸石外表面，该方法可以很容易地调控酶的负载量。具体来说，在浸渍/交联步骤中调整酶的浓度即可控制最终混合催化剂中的酶负载量。例如GOx_25@TS-1_Aer中酶的负载量为37  mg_GOx•g^-1，而在没有沉淀和交联剂的情况下制备的催化剂GOx_25@TS-1_Aer_b中酶的负载量仅为6 mg_GOx•g^-1。图5a显示GOx_25@TS-1_Aer的活性比GOx_25@TS-1_Aer_b高8倍，这与后者材料中较低的酶负荷量相符。用不同GOx负载量制备的混合催化剂具有不同的比活性（图5b）。在较高负载量下，比活性几乎不变，而在低负载量下，比活性则明显下降，这可能是由于较高负载量下酶交联度太高导致酶构象受到更多限制，从而使其活性降低。将GOx_25@TS-1_Aer中固定化酶的活性与游离酶进行比较（图5c），结果显示固定化酶GOx的活性仅为游离酶的50％，这可能要归因于交联过程减少了酶活性位点的暴露。然而，与游离酶相比，交联酶聚集体则显示出更高的热稳定性，在45 °C时游离酶活性随时间延长而降低，而固定化酶的活性则无明显变化（图5d）。

图5. GOx_25@TS-1_Aer和GOx_25@TS-1_Aer_b的性能研究。图片来源：Chem. Sci.

如图6所示，当不加H₂O₂时，无机催化剂TS-1_Aer对环氧化反应完全没有活性。用TS-1_Aer和游离的GOx（图6a）进行化学-酶串联反应时，即使不添加H₂O₂，也能够得到环氧化产物（收率为18%；选择性为63%）。对于混合多相催化剂GOx_25@TS-1_Aer（图6b），缩水甘油的产量达到37 mM，相当于23％的产率和34％的葡萄糖转化率（环氧化合物的选择性为69％），该混合催化剂的产量远远高于将酶接枝到TS-1外表面上的产量。此外，只需改变混合催化剂中酶的负载量，就可以调节环氧产物的量。与GOx_25@TS1_Aer相比（图6c），GOx_2.5@TS-1_Aer的酶负载量以前者低6倍，酶活性低5倍，反应24小时后仅生成16 mM的缩水甘油（收率为10％；选择性为64％），葡萄糖转化率为16％。这一结果表明GOx_25@TS-1_Aer的转化率主要受氧气浓度的影响，通过提高介质中的氧气传质速率，可以实现更高效率的转化。

图6. 游离GOx和TS-1_Aer、GOx_25@TS-1_Aer、GOx_2.5@TS-1_Aer催化烯丙醇的化学-酶环氧化反应。图片来源：Chem. Sci.

为了证明该方法对其他酶的适用性，作者将辣根过氧化物酶（HRP）的CLEA负载在TS-1_Aer中，记为HRP_25@TS-1_Aer。以2,2-联氮-二(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二铵盐（ABTS）和H₂O₂为底物进行比色分析，结果显示HRP已成功固定在TS-1_Aer中并且保持活性（图7）。由HRP和GOx制成的组合酶聚集体combi-CLEAs也可以有效地负载在微球内部，记为HRP/GOx_25@TS-1_Aer。当不加H₂O₂时，反应仍能进行，表明该催化剂能够进行多酶串联反应，其中GOx生成H₂O₂，随后被HRP用来氧化ABTS（图7a）。这些结果表明，该方法可用于设计负载多酶系统的多功能混合催化剂，并用于更复杂的串联反应中。

图7. 以ABTS和H₂O₂为底物进行的多酶体系比色分析。图片来源：Chem. Sci.

总结

Damien P. Debecker教授团队利用TS-1沸石晶体的气溶胶辅助组装来制备中空沸石微球，用于负载GOx的同时还能发挥无机催化剂的作用。酶被负载到微球中，以交联酶聚集体的形式被捕获，从而可以很好地控制酶的负载量，提高酶的稳定性，并防止酶的浸出。该混合催化剂能够用于串联化学-酶反应：GOx原位产生H₂O₂，随后被TS-1用于催化烯烃的环氧化。这些混合催化剂的转化率和选择性远高于将酶简单接枝到沸石晶体表面上。基于中空颗粒制备的这种催化剂还可以用于其他纳米结构单元（例如沸石、粘土、MOFs、COFs等），使其能够与酶、多酶或其他生物大分子相结合，从而为多功能混合材料的制备开辟了新的道路。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Hollow Zeolite Microspheres as a Nest for Enzymes: a New Route to Hybrid Heterogeneous Catalysts

Valentin Smeets, Walid Baaziz, Ovidiu Ersen, Eric M. Gaigneaux, Cédric Boissière, Clément Sanchezc, Damien P. Debecker

Chem. Sci., 2020, DOI: 10.1039/C9SC04615A

关于Chemical Science：

英国皇家化学会综合性旗舰期刊，最新影响因子为9.556。发表化学领域最前沿、最重要、最具挑战性的高影响力研究成果。Chemical Science 是化学领域中影响力最大的开放获取期刊（open access），所有文章均可免费阅读。