Nature Synthesis:木质素作为太阳能生物催化C-H键氧化功能化的多功能光催化剂

背景介绍

木质素是地球上第二丰富的生物聚合物，在木质纤维素生物质中与各种芳香结构高度功能化，每年纸浆和造纸工业产生大约5000万吨木质素作为废物，其中95%的木质素由于其复杂、不规则和不明确的化学结构，在生物炼制过程中被废弃或燃烧。最近，木质素材料被用来制备增值芳烃和将它们作为能源和环境应用的构件。超越这些传统的方法，该文章假设了木质素聚合物可以进行光氧化还原反应，因为它们包含许多分子、有机光催化剂共享的氧化还原部分。

基于以上的假设，韩国科学技术院Chan Beum Park教授团队使用木质素作为光催化剂，在可见光下成功验证了通过O₂还原和H₂O氧化形成H₂O₂；利用光谱和光电化学分析研究了两种木质素模型的光物理和电子特性，并使用这些和其他木质素模型证明了木质素的光氧化还原化学性质；此外，木质素和H₂O₂依赖的非特异性过氧酶（UPO）的整合使各种C-H键具有高度的对映选择性氧化功能化；木质素光催化剂的使用解决了与UPO可持续活化相关的许多挑战，特别是消除了对人工电子供体的需求并抑制了HO·介导的UPO失活；因此，木质素-UPO杂化催化剂在光化学平台中实现了太阳能生物催化氧官能化的UPO总周转次数为81,000。

图文解读

木质素光催化剂和过氧化物酶进行的光酶氧化功能化

木质素作为多功能光催化剂，实现可持续的挑战性的目标可持续UPO催化太阳可见光，也就是说，通过原位H₂O₂形成O₂还原和H₂O氧化，使用H₂O作为电子供体和HO·木质素的清除活性（图1），原位生成的H₂O₂与过加氧酶反应，形成氧铁基血红素(化合物I，氧化还原中心)，催化立体选择性氧功能化反应（例如，羟基化和环氧化）。

图1. 利用木质素光催化剂和过氧化物酶进行的光酶氧化功能化。

木质素的电子和光物理性质

图2展示了基于¹H-¹³C异核单量子相干(HSQC)光谱学的木质素结构特性。如图2a,e所示，木素磺化盐(LS)具有天然的β-芳基醚（β-O-4）键和与S和G芳香单元相邻的亚硫酸盐衍生的磺酸盐官能团，而硫酸盐木素（KL）含有天然结构单元（例如，β-O-4、苯香豆素（β-5）、树脂醇（β-β），二氢肉桂醇和开环异落叶松树脂酚）和硫酸盐衍生部分（例如，β-5二苯乙烯、烯醇醚、愈创木酰羟乙基酮和巯基）。对LS和KL的硫元素分析进一步证实了LS和KL中存在硫官能团(如SO^3-和SH)，除了这些不同的官能团外，LS和KL有共同的基团，包括脂肪族羟基、酚类羟基、C5-缩合羟基和羧基，并且通过³¹P核磁共振(NMR)证明了这一点。

图2. 木质素模型的结构研究。

基于图3a中的这些多重分析结果，该研究描述了LS和KL的合理结构。与LS相比，KL从紫外到可见光区域具有更强的光吸收。根据LS和KL的温度图，估计其高层分子轨道(HOMO)和最低未占据分子轨道(LUMO)之间的能量间隙分别为2.74 eV和2.93 eV，LS和KL的HOMO水平分别为2.44 V和2.69 V；因此，根据其HOMO−LUMO间隙，计算出LS和KL的LUMO能量分别为-0.30 V和-0.24 V(图3a)。

KL经历的电荷重组比LS慢，研究还发现KL比LS具有更好的电荷转移能力。根据切碎光时安培分析(图3b)，在可见光(λ>400nm)下，KL的光电流大约是LS的4倍。这种光敏化是它们在可见光范围内的HOMO-LUMO间隙的结果(图3a)，电化学阻抗谱进一步支持了木质素电荷传输特性的差异：根据奈奎斯特图确定LS和KL的充电转移电阻分别为25.4kΩ和12.0kΩ，拟合到Randles电路模型(图3c)。

图3. 木质素光催化剂的电子和光物理性质。

木质素致敏还原O₂成H₂O₂

基于木质素的电子和光物理性质，研究了它们光催化将O₂还原为H₂O₂的能力。在证实了木质素和O₂之间有利的非共价相互作用后，该研究将木质素(1 mgml⁻¹)在富O₂磷酸钾缓冲液(KPi，100mM，pH7.0)中暴露在太阳模拟器(λ>400nm)的可见光中。光活化LS和KL分别以80±20和160±30 mM的速率(80±20和160±30 mMgcat⁻¹h⁻¹)的速率逐渐积累H₂O₂(图4a)。本研究表明KL更快的H₂O₂生产归因于其更高的光吸收、电荷分离和电荷转移能力(图3b,c)；在没有木质素或光照的情况下，对照实验导致H₂O₂的产量可以忽略不计(图4a)；此外，LS和KL的作用光谱与它们的吸收光谱相似，说明LS和KL的光活化是H₂O₂形成的关键步骤。

为了阐明木质素致敏的H₂O₂产生的途径，该研究采用硝基蓝四唑(NBT)测定法分析了超氧化物离子(O²⁻)的形成。LS和KL光催化剂在富含O₂的环境中在可见光下产生O²⁻，而在富含N₂或黑暗条件下检测到的自由基离子可以忽略不计；在O²⁻净化的木质素溶液中加入1,4-苯醌(O²⁻清除剂)，降低了LS和KL光催化剂生成H₂O₂的速率(图4b，左)，支持O₂两步还原为H₂O₂。

光催化H₂O氧化成H₂O₂和O₂

该研究发现在木质素催化的H₂O₂生产过程中缺乏人工电子供体，因为H₂O₂形成的不完全抑制可能源于水溶剂被氧化成H₂O₂(图4b，左)。这促使需要评估光活性木质素氧化水的能力。值得注意的是，H₂O被氧化为H₂O₂木质素光激发诱导的在热力学上是有利的，因为LS和KL的HOMO水平比水对H₂O₂的氧化电位(Eox)更正(图3a)。

为了排除O₂还原反应产生的H₂O₂，该研究在光催化之前和光催化过程中分别用N₂气体净化了木质素溶液，发现LS和KL的H₂O₂形成速率分别下降到25和66 mMgcat⁻¹h⁻¹(图4b，右)，该速率几乎与在1,4-苯醌（HO₂·清除）存在下观察到的速率相同（图4b，左）；这些结果表明，O₂的一步还原为H₂O₂很少发生，而水的氧化是在LS和KL上产生H₂O₂的另一个光催化途径；此外，该研究还证实了木质素催化生成的O₂。

图4. 可见光下木质素致敏作用下H₂O₂的产生及其机理。

H₂O₂形成的木质素模型的普遍性

该研究构建了一个类天然木质素模型来验证是否可以执行相同的光催化反应（即H₂O₂的产生）。由于纤维素降解酶木质素(CEL)是天然木质素的高度代表性，¹H-¹³CHSQC和³¹PNMR谱显示，CEL具有3个C9单元(即H、G和S)，分别具有β-O-4、β-5和β-β键以及羧基(图2c、e)。在O₂富集/耗尽的条件下，含CEL的溶液暴露在可见光下触发了H₂O₂的形成(图4c)，但反应没有在黑暗中进行。

基于多种木质素模型(如LS、KL、CEL和DHP)以光化学方法将O₂还原为H₂O₂的共同能力，该研究推测β-O-4链接可能导致光氧化还原反应，因为所有这些模型都有这个化学键，这是木质素中最主要的键。该研究制备了愈创木酰甘油-β-愈创木酰醚作为酚类β-O-4型木质素二聚体模型，并验证了该二聚体在光照条件下产生H₂O₂，而不是在黑暗条件下(图4c)；而针叶醇（4-羟基-3-甲氧基肉桂醇）和芥子醇（4-羟基-3,5-二甲氧基肉桂醇）是木质素合成中的主要单醇醇，没有β-O-4键，没有完成光化学反应（图4c）。作者怀疑β-O-4的Cα-OH部分可能参与了O₂的还原，因为苄基醇(即Cα-OH)已被报道被氧化为碳基(即Cα=O)，而且观察了二聚体模型在光照条件下C=O键的形成，而不是在黑暗条件下。

对映选择性光酶氧功能化

在证实了木质素光催化剂原位生成H₂O₂后，接下来研究了木质素驱动的光催化与过氧酶介导的生物催化的光生物催化氧功能化反应的潜力。

该研究选择了水稻的UPO，它在毕赤酵母(rAaeUPO)中重组表达，因为它的多功能性和对惰性C-H键的高活性。该研究分别用气相色谱-质谱法(GC-MS)和气相色谱法对该产物进行了鉴定和定量，结果表明在光照条件下CEL、DHP和愈创木酰甘油-β-愈创油酰醚也驱动rAaeUPO-驱动的对映体(R)-1-苯乙醇的生产；然而，针叶醇和辛叶醇并没有引起酶促反应，这主要归因于它们的H₂O₂光化学生成可以忽略不计(图4c)。

该研究通过紫外-可见光谱法验证了木质素光催化剂与rAaeUPO酶之间的相互作用。rAaeUPO在250~450 nm之间的吸光度随着LS和KL浓度的增加而逐渐降低，说明木质素改变了rAaeUPO的芳香官能团(~280nm)和血红素辅基(~418nm)的电子状态，光酶反应的速率高于木质素致敏化的H₂O₂的产生速率(图4b)。

总结和展望

该研究证实了木质素作为一种非金属光催化剂的能力，基于木质素光催化剂的热力学指标，揭示了在太阳照射(λ>400nm)下，木质素敏感的O₂还原为H₂O₂和H₂O氧化为H₂O₂和O₂，不需要人工电子给体和HO·清除活性；此外，通过木质素光催化剂和过加氧酶的合并，实现了惰性C-H键的对映选择性氧功能化，这是合成化学中的一个理想反应；建立了木质素作为生产燃料和化学品的能源转化材料，提供了变废为宝的一个例子。后续研究应旨在利用UPOs和其他酶来探索复杂分子的光酶氧功能化反应，解读木质素β-O-4在H₂O₂光化学形成中的详细机制，并利用操作光谱和计算量子力学建模方法进一步探索结构-反应关系。未来提高酶的生产力的挑战将是（1）设计一个双相水-有机体系来提高疏水底物的浓度，（2）是对木质素的化学修饰以控制其能级，（3）将木质素与氧化还原介质结合，以促进H₂O₂的形成。

News & Views《Solar-powered biorefnery》

新加坡南阳科技大学Han Sen Soo教授对该文章进行了评论。

非食品生物质木质素已被证明被光电化学平台结合二氧化碳或α-酮戊二酸的酶还原同时氧化，尽管底物范围严重有限，需要有毒的含铅钙钛矿来收集光。现在，Chan Beum Park教授团队在《Nature Synthesis》杂志上报道了使用木质素作为光催化剂，从空气和水中产生H₂O₂。

Chan Beum Park教授团队鉴定了官能团，并比较了木质素磺酸盐和硫酸盐木质素相对于天然木质素的结构变化，然后利用光学和光电子能谱来估计光激发态氧化还原电位。在建立了这些反应的热力学可行性后，硫酸盐木质素和木质素磺酸盐被用作从环境空气和水中生产H₂O₂的光催化剂。这两种形式的加工木质素在可见光照射下，在中性溶液中产生H₂O₂。

Chan Beum Park教授团队还筛选了不同的模型和类型的木质素，以确定木质素中的光活性图案。更具体地说，他们研究了纤维素降解酶木质素（天然木质素的真实模型）下合成的H₂O₂的过程，一种合成木质素脱氢聚合物，愈创木甘油-β-愈创木醚作为酚类β-O-4连接二聚体，针叶醇和芥子醇。

为了增加他们的人工光合系统的价值，Chan Beum Park教授团队利用原位生成的H₂O₂对脂肪族碳氢化合物的对映选择性氧功能化，这是在可氧化芳烃存在下的一个合成挑战；然而，水氧化需要昂贵的负载金二氧化钛光催化剂，反应对醇的化学选择性较差，周转率不超过38000。在这次研究中，Chan Beum Park教授团队报告了使用木质素磺酸作为UPO的光催化剂，具有更高的对映选择性和30-83%的周转率，导致UPO催化基准81000周转(R)-1-苯乙醇。

尽管底物范围有限，但该方法在合成生物活性手性分子方面的应用前景广阔。产品突出的对映度、高周转率和简单、良性、水反应介质使该方法具有可持续工业应用的吸引力。然而，剩下的挑战之一是脂肪族烃在水中的不溶性，这严重限制了反应速率。木质素和UPOs的不均匀、复杂的性质使得很难以类似于小分子的方式系统地改进大分子。

然而，这些限制为探索提供了机会，通过操作光谱，深入了解β-O-4键在木质素光催化剂中的作用和计算计算，深入了解O₂、H₂O₂、木质素和UPO之间的界面过程，可以提高催化性能，扩大底物范围。通过定向进化或人工智能增强的UPO，或更普遍的其他酶，可以集成，创建半人工光合系统，能够实现复杂分子的后期功能化或激活更惰性的原料，如甲烷。因此，作者希望合成化学家从这些发现中获得灵感，开发手性精细化学品的生物杂交系统。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s44160-022-00035-2

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