“氨基酸”科学家通过人工电催化二氧化碳还原合成氨基酸，为不对称催化领域带来新突破

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来源：DeepTech深科技

自 2002 年起，上海交通大学化学化工学院教授车顺爱开始研究手性材料。手性，是指一个物体不能与其镜像重合，比如我们的左手与互成镜像的右手，也并不是重合的。

2004 年，车顺爱发在 Nature 上的论文，介绍了手性介孔材料的合成。自那以后，每次做报告她都会被问到一个问题：手性介孔材料到底有何用处？

由此可见，对于手性分子分离和催化的应用，大家都很期待。而她和团队也一直在探索这些应用。

就在你打开这篇文章时，大自然正在发生二氧化碳的还原反应，比如植物光合作用、微生物的生物固碳作用。

这些反应的生成产物十分丰富，例如糖类分子、氨基酸等生物分子，这些都是目前从人工二氧化碳还原反应中无法获得的。

在这些产物中，生物分子往往是单一的手性分子，它们有着过量的对映体，例如 L-氨基酸和 D-核糖。

同时，在催化反应中起着关键作用的生物酶、以及这些生物本身的细胞组成物也具有手性。其中，生物酶要通过自身严格的手性结构，来保证催化的专一性和高效性。

此前，车顺爱和团队曾发现：二氧化硅、金属氧化物、金属材料等无机材料，具备多种手性响应。手性金属材料的特点之一在于，能对氨基酸、糖类等多种手性分子，表现出对映体选择性。

基于此，课题组初步推测：正是凭借自身手性、以及丰富的构型种类，让这些酶和生物有机体在作为催化剂时，可以生成多种的产物。

如果这一推测属实，则能从大自然中汲取灵感，再综合手性这一因素，通过合成手性无机材料，就能发生二氧化碳的还原反应，进而合成多官能团的的手性多碳分子。

根据上述策略，他们通过合成手性无机纳米铜膜，来进行电催化二氧化碳还原反应，借此合成了对映体过量的氨基酸产物。

在这些产物中，丝氨酸的对映体过量值高达 94%。针对反应产物的测试结果显示，在二氧化碳还原成为丝氨酸时，3-羟基丙酮酸是关键的中间体。

理论计算结果也显示，对于由二氧化碳还原所形成的丝氨酸路径的能垒，手性无机纳米铜模表面的手性晶面，不仅能起到降低的作用；同时，手性晶面的对映体，也会降低手性丝氨酸的产量，从而合成手性氨基酸。

基于此，在最近的一项工作中，该团队发现了一种通过二氧化碳还原、来合成多碳产物的新策略：即在催化剂中引入手性，来合成人工二氧化碳还原中无法获得的高附加值产物。也就是说，通过人工电催化二氧化碳，可以合成氨基酸。

在生物的生命过程中，氨基酸是一种至关重要的分子。相比生物体内复杂的的组分，无机表面则是一种构造简单的体系。

因此，在研究二氧化碳产生氨基酸的反应路径和机理时，如能借助无机表面这一简单体系，也会给研究自然界中的二氧化碳还原机理带来重大意义。

2017 年，担任本次论文一作的方宇熙加入车顺爱课题组，他对于手性起源也很感兴趣，而且在硕士期间积累了研究电化学沉积金属材料的经验。

在查阅无机材料催化的文献时，他看到一些通过使用金属硫化物，进而由二氧化碳、氢气、氢氰酸水热来合成氨基酸的论文。

这些文献着眼于地球上生物的起源，即氨基酸在原始地球上的生成。然而，用这种方法合成的氨基酸都是消旋的，并不符合目前生命体中大多数 L-氨基酸的现状。

由此方宇熙得到启发，无机物是一种简单物体，甚至也可能存在于原始地球上。那么，使用无机物做不对称催化，整个体系的反应物应该都是原始地球上可能存在的东西。

所以，他想看看是否只用二氧化碳和氨——这两个原始地球上可能最为丰富的原料，就能通过不对称催化反应合成氨基酸。

由此，他想到了二氧化碳电催化反应，这是一个广为人知、同时也颇受关注的反应。方宇熙猜测：不借助酶或微生物，通过电催化二氧化碳还原、并合成某种手性产物的想法，在研究催化和手性的科研人的脑海中，可能也曾出现过。

“不过，由于电催化二氧化碳还原反应的主要产物是 C1,C2 分子，并不容易形成 C3 以上的产物，这可能是其他同行没有继续耕耘此路的原因。而在我的研究中，首先要解决的是如何形成手性的铜。”方宇熙说。

一开始，他使用嵌段共聚物+手性分子的体系，通过电沉积合成铜材料。但其缺点在于嵌段共聚物的位阻太大，这会阻碍手性分子对于无机结构的诱导。

因此，方宇熙改用另一个体系：阳离子表面活性剂 CTAC+手性分子。后又通过电化学方法，通过除去有机组分，得到了一个手性无机纳米铜膜。

接下来，要对铜膜表面的手性原子级别结构进行表征。然而，他发现无法借助透射电镜的重构，来得到原子级别的表面手性结构。

因此，在和导师商量之后，他与上海交大化学化工学院研究员刘晰合作，通过高角度环形暗场，获得了扫描透射电镜照片。同济大学的韩璐教授对其进行了结构表征，发现铜膜表面存在着手性晶面，接着又对其米勒指数予以确认。

在合成催化剂之后，还得进行催化实验。一开始是在常压 2H 型电解池中，通过碳酸氢铵水溶液电解液做的，反应时间为一个小时。

方宇熙发现，短时间内并不能合成氨基酸，这与之前通过无机硫化物催化水热合成氨基酸的文献结果类似，即需要 1 天以上的反应时间。

但是，长时间的反应之后，碳酸氢铵会逐渐挥发，因而无法继续参与反应。为此，他将反应电解池改为高压-2H 型电解池，借此防止碳酸氢铵的挥发，并将反应时间改为 24 小时。

对于反应生产的氨基酸，则用加热分解碳酸氢铵的方法进行提纯，并用氨基酸分析仪进行表征。

然而，并不是所有产物都能被表征。在反应中，氨和二氧化碳的含量比较多，因此无法使用气相色谱-质谱联用仪做分析。

为此，课题组联合中国科学技术大学国家同步辐射实验室的杨玖重博士、以及上海交大的周忠岳教授，通过光电离质谱对乙醇和甲酸产物进行表征。借此他们发现，3-羟基丙酮酸承担着反应中间体的作用。

最后，方宇熙在复旦大学刘志攀教授的指导下，通过密度泛函理论计算，研究了氨基酸的形成机理。接下来，最大的难题是反应路径的确定。

而在之前，对于氨和二氧化碳还原所形成丝氨酸的路径，方宇熙已经做过热力学研究。既然中间体是 3-羟基丙酮酸，因此他参考由二氧化碳还原形成乙醇和乙酰 CoA 路径，预设了一个反应路径，并做以热力学计算。

同济大学化学科学与工程学院博士研究生方宇熙为论文一作，同济大学韩璐教授、上海交大车顺爱教授、周忠岳教授、以及复旦大学刘智攀教授为共同通讯作者 [1]。

对于通过不对称电催化二氧化碳合成氨基酸，评审专家一致认为这是一项巨大创新。也有评价认为，其价值并不局限于二氧化碳还原，也给不对称催化领域带来了突破。

对于投稿过程车顺爱表示：“可能因为过于创新，在第一次审稿时有位审稿人认为，在简单的无机表面上，通过催化二氧化碳还原来合成氨基酸，实在是不可思议，所以让我们确认氨基酸是否真的由二氧化碳形成。为此，我们补充一系列控制实验和同位素测试，最终说服了这位审稿人。”

方宇熙认为，后续研究可往两方面发展。一方面，可以继续研究手性起源问题。其一，使用物理场去合成手性无机材料，并进行不对称的催化，从而解决手性起源的问题；其二，可以研究无机材料催化核糖的不对称催化，进一步研究核糖在原始地球上对称性破缺原因；其三，还可以研究手性无机材料能否诱导生命中的多级手性，比如 RNA/DNA 螺旋、蛋白等。

另一方面，则可尝试提高氨基酸的生成效率。首先，可以在流动池中进行电催化合成氨基酸，从而提高生成氨基酸速率；其次，针对氨基酸的合成，还需寻找能取代铜的的催化剂。

目前所用的铜催化剂，固然可以生成氨基酸，但主要产物依然是甲酸和乙醇。方宇熙认为，原因可能在于铜的本征催化路径，具备易生成乙醇和乙烯的特点。

然而，乙醇无法还原成酸。同时，乙醇和乙烯都是高度还原的多碳产物。因此在非手性状态下，那些无法合成乙醇或乙烯的金属和金属氧化物，才是手性催化剂的更好选择。

参考资料：

1.Fang, Y., Liu, X., Liu, Z., Han, L., Ai, J., Zhao, G., ... & Che, S. (2022). Synthesis of Amino Acids by Electrocatalytic Reduction of CO2 on Chiral Cu Surfaces.

好了，关于科学家通过人工电催化二氧化碳还原合成氨基酸，为不对称催化领域带来新突破就讲到这。