采用電場相互作用的模型可以改進(jìn)催化劑的設(shè)計(jì)

眾所周知，電場通過場-鍵偶極作用影響催化劑的活性和選擇性。電場的長期效應(yīng)在酶反應(yīng)中被清楚地觀察到。Warshel的研究首次證明了酶不僅僅是優(yōu)化了的立體活性位，當(dāng)培養(yǎng)基進(jìn)入反應(yīng)過渡狀態(tài)時(shí)，預(yù)先安排的酶靜電環(huán)境會(huì)使培養(yǎng)基的電荷分布更加穩(wěn)定；對(duì)水溶液中酶催化反應(yīng)所需能量的定量研究結(jié)果表明，穩(wěn)定電荷是酶催化中最主要的能量。

勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室和加州大學(xué)伯克利分校的研究人員以酶為例子，提出電場可以作為設(shè)計(jì)多相和均相催化劑的統(tǒng)一表征因子。這些研究人員在《Nature Catalysis》雜志上發(fā)表的綜述論文闡述了如何利用電場的計(jì)算優(yōu)化來改善幾種合成酶的催化性能。他們提出，同樣的方法可以用于改進(jìn)多相催化劑的設(shè)計(jì)，包括沸石、采用納米限域分子液體的均相催化劑和超分子膠囊。通過模仿酶的活性點(diǎn)位，窄孔結(jié)構(gòu)中的限域空間可以改變反應(yīng)分子的反應(yīng)活性，確保原料在溶液中不發(fā)生副反應(yīng)。利用電場改進(jìn)催化劑設(shè)計(jì)的一個(gè)重大挑戰(zhàn)在于具有預(yù)測能力的理論模型所需的復(fù)雜計(jì)算，預(yù)計(jì)需要更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來描述電場對(duì)非酶系統(tǒng)的影響。盡管如此，他們認(rèn)為通過建模提高認(rèn)識(shí)，可為合理優(yōu)化多種催化劑開辟新的途徑。

該論文的作者推測，雖然沸石的結(jié)構(gòu)與酶有很大的不同，但納米孔結(jié)構(gòu)與沸石內(nèi)部的電場之間存在著相同的相互作用。眾所周知，沸石的內(nèi)部電場很大(10～100 mV/cm)。通過施加外部電場來影響內(nèi)部電場，可以提高選擇性和活性。在適當(dāng)?shù)碾妶鲎饔孟?，以前被證明對(duì)乙烷脫氫不起作用的負(fù)載金屬的沸石可能會(huì)變得活躍起來。在反應(yīng)物處于穩(wěn)定的過渡態(tài)時(shí)，如何控制電場的方向和大小是一個(gè)關(guān)鍵問題。

作為評(píng)價(jià)這一設(shè)計(jì)方法的模型系統(tǒng)，對(duì)沸石可能限制太多，因?yàn)樗鼈冇写_定的孔徑、形狀和硅鋁比。因此，作者提出超分子系統(tǒng)(膠囊)可能是最好的測試環(huán)境。這個(gè)概念很有趣。在設(shè)計(jì)新型催化劑時(shí)，很少充分考慮電場情況，這是事實(shí)。作者證明，使用理論模型可以提高酶的性能。在其他受限的反應(yīng)環(huán)境中，如何更好地利用模型來設(shè)計(jì)電場，最終實(shí)現(xiàn)催化劑性能優(yōu)化，還有待觀察。