Nature Catalysis：天然与人工相结合的CO2选择性还原

将二氧化碳电化学还原为燃料和化学品，为碳中和经济的转变提供了希望。然而，产物的选择性问题仍然限制了电催化还原的实际应用。鉴于此，美国俄亥俄州立大学化学与生物化学系 Hannah S. Shafaat和加州大学欧文分校化学系 Jenny Y. Yang概述了用于CO₂捕获和碳碳键形成的催化剂的热力学和动力学成因，并在人工合成和具有类似CO₂转化功能的天然酶之间进行类比。通过探讨酶高效催化二氧化碳转化的主要特征，激发我们利用类似的化学原理构建人工催化剂。该研究成果以 “Uniting biological and chemical strategies for selective CO₂ reduction” 为题发表在Nature Catalysis (DOI: 10.1038/s41929-021-00683-1)，通讯作者为Hannah S. Shafaat和Jenny Y. Yang。

【内容表述】

二氧化碳可以通过加氢或电化学还原方法还原成多种产物。作者在该评述文章中的重点是讨论二氧化碳的直接电化学还原(CRR)。电化学还原反应的产物选择性是一个非常大的挑战。除了多种可能的CO₂还原产物外，还伴随 H⁺还原为H₂的竞争反应，这些都是选择性CRR的障碍。这个观点着重于选择性CRR的热力学和动力学探讨，并将其与我们目前所了解的天然酶进行对比, 因为他们具有类似反应步骤: 远距离电子转移、气相反应物捕获、序(级联)催化、底物通道、动态次级球体相互作用、构象变化、有序结合和可逆性。大自然利用特殊的金属酶，优化了二氧化碳转化为双电子还原产物甲酸和一氧化碳 (CO)的过程。此外，通过形成新的碳碳键，选择性地将CO₂、CO和甲酸酯整合到复杂的生物分子中，这给合成和生物化学家以及催化工作者们提供了很好的研究范本。

图一：H⁺和CO₂还原所对应的热力学数值:（a）标准条件下H⁺和CO₂对各种产物的还原电位表。（b）对应的Pourbaix图，描述了两电子和多电子还原反应的电位随pH的变化

从图一可以看出，CO₂对大多数产物的还原自由能比H⁺直接还原成H₂在热力学上更有利。在这种情况下，可以优化催化剂，使其以最小的过电位进行反应，从而实现相对于H⁺还原的选择性。然而，即使施加适度的过电位，还是会导致产氢的发生。此外，想要在这么小的电势范围内对大多数碳基还原产物进行进一步选择性区分非常复杂和困难。

动力学范畴

图二：选择性CRR的酶促反应以及相对应的仿生催化剂的设计:（a）C. hydrogenoformans II NiFe CODH酶的活性位点结构和假定的近似Ni_d轨道次序;（b）计算出来的合成催化剂[re(bpy)(CO)₃]的前线轨道;（c）C. hydrogenoformans II NiFe CODH酶中CO₂结合中间体的结构说明了与次级配位球残基的相互作用; （d）在苯酚功能化的铁(卟啉)催化剂中提出的CO₂结合中间体结构;（e）外配位球对具有疏水性和阳离子电荷C. hydrogenoformans II nfe CODH酶的H⁺和CO₂传输的控制;（f）在钴基CO₂还原电催化剂中控制底物传递的类似高分子材料; (g) Moorella thermoaceticum CODH/ACS酶的结构表明次级底物的催化反应和预富集过程; (h) 使用模式化的双金属催化剂进行逐级催化。

如图二所示，仿生策略可以直接应用于均相、非均相和人工金属酶催化剂的合成。由于CO₂相对惰性，单位点的激活通常需要富电子(亲核)、高度还原的金属中心。但是所需要的负电势反过来又会增加整体的过电势。高度还原的金属中心容易发生质子化，这通常又会导致H₂的产生。

NiFe-CODH是厌氧细菌Carboxydothermus hydrogenoformans中的一种脱氢酶 (CODH)，其电催化活性显示，在热力学条件下(没有过电位)或在-520 mV vs SHE，pH 7的条件下，CO₂可以高速率可逆地电催化转化为CO。NiFe-CODH的催化位点具有独特的分化位点中心[4Fe-4S-Ni]，还原电位与CO₂匹配良好。通过非典型多金属簇的电子交互可以促使多余的电子离域，这促进了电荷通过CO₂结合簇进行快速迁移，同时降低了单个金属中心的亲核性(Brönsted碱度)，降低金属的质子化和随后的产氢的可能性。

CODH用来操控CO₂与H⁺还原选择性的另一种途径是电子控制。在CO₂结合之前，Ni₀中心有一个扭曲的t形几何形状。完全还原的分子簇中硫化物和硫代酸配体的π-供体特性使前线分子轨道上的π对称增强，从而促进CO₂的活化主要通过π回馈而不是σ-σ相互作用，这也可以促使质子结合和氢化物的形成。在人工合成的类似物中，前线轨道的对称性被认为是分子电催化剂Re(bpy)(CO)₃ Cl 对CO₂的高选择性的基础(图2b)。还原性金属中心的氧化态也会影响CO₂与H⁺的反应选择性。CO₂活化包括一电子金属氧化形成金属结合的羧酸根阴离子，或者两电子氧化形成完全还原的羧酸根配体。通常H⁺结合形成金属氢化物，使金属被两个电子氧化。因此，控制催化剂是一电子还是两电子氧化可以促进对CO₂的选择性反应。

另一种促进选择性CO₂还原到特定产物的仿生方法是金属协同性。在CO₂存在的还原条件下，NiFe CODH的x射线晶体结构表明，在赖氨酸和组氨酸两个基本氨基酸的氢键辅助下，Ni和Fe协同结合，如图2c所示。CO₂的亲电活化是通过碳与富电子的Ni₀位直接结合，并通过氧与邻近的Fe²⁺_u中心桥接来稳定。因此，活性位点利用两种金属相互作用以不对称方式有效地螯合CO₂，这促进了Fe束缚的氧原子的选择性质子化和C-O键断裂形成CO。金属的协同作用稳定了羧酸中间体，使CO₂活化可以在温和条件下进行。有几个人工合成均相催化剂的例子，类似地利用协同作用提高CO₂活化活性或选择性。这些协同作用包括次级金属选择、与阴离子羧酸氧的氢键作用以及羧酸中间体的静电稳定作用。第三种情况的一个例子如图2d所示，铁卟啉的次级配位球中的酚官能团被认为可以通过氢键相互作用稳定羧酸中间体。在非均相体系中，通过使用双金属催化剂或Lewis酸性阳离子添加剂来模拟这种协同作用，这些添加剂可以用来稳定CO₂活化中间体。当施加电位时，阳离子添加剂还可以影响电极表面离子的界面排列。

催化剂的次级结构和微环境也会影响其对H₂产生的抑制。例如，质子源是亲水的(或在水条件下溶解)，而CO₂作为一个相对惰性的非极性分子，就不是。因此，通过修饰催化剂活性位点周围环境的亲水性和/或疏水性或极性来调节质子流，为实现选择性还原提供了另一种仿生策略。在NiFe-CODH酶中，质子从溶剂转移到结合的CO₂分子，已经被公认为是通过三个碱性组氨酸残基发生的，它们在中性和正电荷状态之间通过一个 “水通道” 进行循环 (图2e)。这与[NiFe]氢化酶形成对比，后者被认为是使用水分子和主要酸性残留物的组合来进行质子转移，这表明远端环境的极性很重要。通过对合成催化剂[Ni(cyclam)]²⁺ (cyclam, 1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane)在不同缓冲液中的CO₂还原活性的研究，可以观察到这一普遍现象。在碱性缓冲介质中，对CO₂还原的选择性优于H⁺还原。聚合物的包裹为催化剂微环境提供了中等程度的复杂性，并呈现出疏水和带电基团的随机排列。例如在酞菁钴中，通过将质子转移过程从双分子过程转化为分子内过程，显示出了对CO₂的选择性(图2f)。因此，质子源和微环境都可以通过控制质子流控制产物选择性。考虑到酶被认为是被高度不对称聚合物封装的催化剂，这种方法为仿生学提供了启发: 聚合物可以以越来越复杂和不对称的方式合成并包裹在催化位点周围，从而建立选择性CRR所需的最小功能单元。

另一个仿生结构策略是通过质子和电子的空间分离来提高CO₂的还原。这是甲酸脱氢酶的几乎所有机制中通用的策略。在这些机制中，Mo或W中心在+4和+6氧化态之间进行循环。完成氢化物反应所需的质子来自配体或次级配位球: 来自末端的硫化物、游离的(硒化)半胱氨酸配体或外球面组氨酸残基、精氨酸残基或半胱氨酸残基甲酸脱氢酶在其他还原环境中的CRR过程中表现出可忽略不计的H₂产生。因此在空间上分离电子和质子源可以导致抑制H₂的演化。

C-C键形成的策略

为了开发高效、有选择性地将CO₂转化为更复杂(C2)增值产品和燃料，必须在多个长尺度上考虑催化剂环境。自然界对此提供了灵感，因为高度选择性和高效的级联反应在天然酶系统中普遍存在。codehydrogenase / acetyl辅酶A synthase (CODH/ACS)酶复合物代表了这种系统的一个高度进化的动态实例，在乙酰辅酶a中由单碳前体合成新的C-C键。识别这种独特反应性的结构和电子特征对于设计类似有效的人工催化剂至关重要。

图三：选择性碳碳键形成的结构和电子元件。(a) M. thermoacetica乙酰辅酶a合酶活性位点结构。(b) P. aeruginosa m121A镍取代蓝蛋白作为ACS模型的活性位点结构。(c) NiI Az的单占据分子轨道(SOmO)突出了硫代硫原子的贡献。SOmO的对称性和分布正交于底物结合通道，这阻止了与入射质子的相互作用。

在CODH/ACS合成酰基过程中，CO₂衍生的CO离开CODH活性位点，进入疏水气体通道，进入ACS活性位点，称为a簇(图3a)。在A簇中，关键的催化中心被认为是近端镍位点 (Ni_P)，远端镍离子 (Ni_D) 被认为发挥结构作用。CO底物和钴胺素甲基转移酶蛋白提供的阳离子甲基结合到Ni_P中心，催化酰基的形成，这一过程类似于Monsanto反应。对于CODH活性位点，Ni_P中心和[4Fe-4S]簇之间的强电子交互是通过桥接硫酯配体介导的，对每个底物的反应取决于活性位点的氧化还原状态。到目前为止，还没有人工合成的镍化合物能够在不分解活性位点的情况下可逆地催化硫酯的形成和分解代谢。但是以蛋白质为基础的模型，如Shafaat和同事开发的那些模型，扩展了我们对这些局限性的理解。蛋白质衍生的ACS模型还提供了对天然酶选择性的洞察。如图3c所示，NiI Az的单占分子轨道在硫代配体上离域较大，金属中心上的组分缺乏合适的结构，不能与质子或CO₂相互作用。在合成体系中建立类似的电子结构对于避免副反应和获得天然酶的选择性是很重要的。

次级配位球在人工金属酶中使用位点定向诱变来调节，而在均相系统中可以通过配体设计来修饰。在非均相体系中，电解液和缓冲液被称为“电化学第二配位球”。到目前为止，这种仿生方法已经非常成功，使人工催化剂具有更高的效率，选择性和产物控制。不断改进的学科交互无疑将加速仿生催化剂的开发。自然界在二氧化碳利用方面仍有秘密有待发现，这将继续激发利用这些效应进行仿生类似物的开发与合成。

参考文献：

Hannah S. Shafaat and Jenny Y. Yang, Uniting biological and chemical strategies for selective CO2 reduction, Nature Catalysis, 2021

https://doi.org/10.1038/s41929-021-00683-1