第一作者：李吟涛，寇露月
通讯作者：季鹏飞，朱海明
通讯单位：浙江大学
论文DOI：10.1021/acscatal.5c03009
光驱动化学酶催化结合了酶的选择性与光催化剂的反应活性，但常受限于光降解、酶与光敏剂不相容及回收有限。本研究通过配体工程开发了一种锆基双功能金属有机层（MOL），同时整合了可见光催化与酶固定化技术。氮杂环配体的引入促进了分子内给体-受体电荷转移，结合锆节点的重原子效应，显著增强了MOL的系间窜越和三重态激子生成，实现了高效光催化烯烃Z-E异构；同时，表面带正电荷的MOL可实现高载酶量并维持酶活性，基于此构建的Zr-TPMT/OYE2催化剂，实现了高效串联催化：先光催化Z-E异构，再酶催化对映选择性还原，使β-氰基丙烯酸酯衍生物转化率接近完全且ee值>99%。
光驱动化学酶催化技术将酶的选择性与光催化反应活性相结合，为温和条件下合成手性分子提供了可持续路径。然而，传统体系多采用均相光敏剂（如黄素单核苷酸，FMN）和游离酶，存在光降解、回收利用率低等问题。虽然FMN能实现高效系间窜越（ISC）并暂时保持酶相容性，但其不稳定性限制了在串联反应和连续流合成中的应用。酶与光敏剂的共固定化虽能部分改善性能，却会带来底物难以接近催化活性位点、光敏剂浸出等新挑战。这些局限凸显了对本征结合光催化活性与酶固定化的双功能材料的需求，从而消除对外源性光敏剂和复杂组装步骤的依赖。
(1) 集成双功能平台：开发出配体工程化的锆基MOL，兼具可见光催化剂与高容量酶载体的双重功能，无需外部光敏剂即可实现高效串联化学酶催化。
(2) 增强光催化效率：富氮π共轭给体-受体配体结构与锆节点的重原子效应协同作用，显著提升三重态激子生成效率，实现光驱动烯烃异构化的高效能量转移。
(3) 高活性与可循环性：优化后的MOL/酶体系在β-氰基丙烯酸酯还原反应中实现近完全转化率及>99%ee值，同时保持酶活性并具备优异的多次循环稳定性。
双功能MOLs的设计、合成与表征
基于四种相似的羧酸配体—BTBP/TZBP/TPYT/TPMT分别制备了相同结构的锆基金属有机层（Zr-MOLs）（图1a）。SEM、TEM、HRTEM、XRD、AFM表征证实其具有超薄层状结构（厚度~1.3 nm）和kgd拓扑（图1b-h）。氮杂环的引入显著增强材料表面正电荷，Zeta电位从Zr-BTBP的22.2 mV升至Zr-TPMT的32.2 mV（图1i）。增强的表面正电荷不仅抑制聚集，还为固定带负电酶（如OYE2）提供了静电驱动力，促进催化应用。
图1 双功能MOLs的设计与表征
Zr-MOLs酶负载与表征
Zr-MOLs展现出卓越的OYE2酶负载能力（0.65-0.99 g/g），远超传统载体（<0.12 g/g）（图2a-b）。其中，疏水性更强的Zr-BTBP和Zr-TZBP负载量最高（0.92-0.99 g/g），而配体极性增加（Zr-TPYT, Zr-TPMT）会削弱疏水相互作用导致负载量降低。Zeta电位变化与负载量一致（图2c），共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）表明酶在MOLs上均匀分布（图2d）。热重（TGA）证实酶成功固定且仅轻微影响材料热稳定性（降解温度降低约30°C），残留灰分减少表明了Zr-TPMT高酶负载（图2e）。
图2 Zr-MOLs的酶负载性能
光驱动化学酶反应中的分子固定化酶
对于难异构化的模型底物(Z)-1a，相比于传统光敏剂，Zr-TPMT实现了>89%的高E型异构体产率（图3a）。其优异性能源于：分子内给受体电荷转移增强光捕获、锆节点的重原子效应促进ISC、刚性框架抑制能量损失、以及疏水表面富集底物。将Zr-TPMT与烯还原酶OYE2耦合，构建了高效的化学酶平台（图3c）。该体系首先通过Zr-TPMT光催化实现Z-E异构化，随后OYE2对生成的(E)-1a进行高对映选择性还原（>96%产率，ee>99%）。此协同效应克服了游离OYE2对(Z)-1a无活性的限制。Zr-TPMT/OYE2复合物展现出卓越的稳定性（8轮循环后活性保持93.2%）、广泛的底物适用性（尤其对缺电子芳基底物），并能兼容多种烯还原酶（如GluER, YersER），为可持续的不对称合成提供了强大的双功能平台（图3d-g）。
图3 MOLs/酶体系的高效串联催化
Zr-TPMT的光物理及烯烃异构光化学机制
为理解Zr-TPMT在烯烃光异构化反应中的卓越催化性能，通过瞬态吸收光谱与计算手段深入研究了其光物理机制。计算表明，配体TPMT具有给体-受体结构，产生n→π*电荷转移跃迁，缩小单线态-三线态能隙（S1-T1=0.36 eV），从而促进ISC。fs-TA表明锆节点通过重原子效应加速了TPMT的ISC,其三线态生成速率加快，生成时间常数从126 ps加快到56 ps（图4b-4g）。MOL的二维结构有利于底物接近活性中心，且ns-TA表明当环境中存在底物时，Zr-TPMT的三线态寿命大幅下降，说明MOLs与底物之间可进行有效的dexter能量转移，从而实现高效烯烃异构（图4h）。并且MOLs的光物理性质在酶固定后保持不变，保障了光催化与酶反应的兼容性。
图4 Zr-TPMT的光物理及烯烃异构光化学机理
MOLS-酶界面相容性与化学酶催化中的机理协同效应
通过色氨酸荧光和ATR-FTIR光谱分析，发现不同MOLs对固定化OYE2的结构影响显著。疏水性Zr-BTBP引起色氨酸红移及二级结构重排（无规卷曲减少，α-螺旋增加），表明酶部分解折叠；而含氮嘧啶的Zr-TPMT能维持酶天然构象（λmax≈325 nm，二级结构与游离酶接近）。将酶固定在MOL上可显著提升底物亲和力，尤其在表面疏水性较高的材料上表现更优。然而，过强的疏水相互作用可能抑制酶活性。相比之下，表面极性适中的Zr-TPMT/OYE2不仅保持较高亲和力，还实现了接近游离酶的催化效率。该成果为开发高效酶固定平台提供了新思路。
图5 MOLS-酶界面相容性与化学酶催化中的机理协同效应
本研究通过原子层面的设计，证明富含氮杂环配体的MOLs成功架起了光催化与酶催化之间的桥梁。通过引入分子内给体-受体电荷转移的配体TPMT，Zr-TPMT由于Zr节点的重原子效应增强ISC，高效地产生三线态激子，并经由Dexter能量转移实现选择性Z-E烯烃异构。同时，富氮表面能有效维持酶结构完整性，在实现高固定化载量的同时将活性损失降至最低。这种化学酶促系统通过空间集成光催化与酶催化步骤，将惰性Z-烯烃高效转化为具有高产率和对映选择性的手性产物，其性能远超传统均相催化剂。该系统对多种底物和烯还原酶的广泛兼容性，以及出色的可循环利用特性，彰显了其工业化应用潜力。光谱学与计算研究阐明了Zr节点和氮杂环对光物理特性及生物相容性的关键贡献。这种配体驱动策略无需外源光敏剂，为开发温和可持续条件下光驱动的化学酶促系统提供了普适性方案。
Ligand Engineering of Bifunctional Metal−Organic Layers for LightDriven Chemoenzymatic Catalysis. ACS Catal. 2025, 15, 11326−11336.
https://doi.org/10.1021/acscatal.5c03009
季鹏飞，浙江大学化学系研究员，博士生导师，于2018年获美国芝加哥大学博士学位，2019-2020年于加州大学伯克利分校任米勒学者，2020年加入浙江大学化学系任“百人计划”研究员。获得国家高层次青年人才项目、浙江省杰青的资助。课题组长期从事酶定向进化、蛋白质理性设计、酶固定化等研究方向。个人主页：https://person.zju.edu.cn/jipengfei
朱海明，浙江大学化学系研究员，博士生导师，2008年毕业于中国科学技术大学，获得化学物理学士学位；2014年毕业于美国Emory大学，获得物理化学博士学位，2014-2016年在美国Columbia大学做博士后研究工作。主要从事利用超快时间分辨激光光谱研究光电转换材料激发态动力学。获得国家自然科学基金优秀青年基金项目资助和国际固体激发态动力学 The Sturge Prize, 日本化学会The Distinguished Letureship Award等奖项。
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