具有类酶腔的设计催化剂分解水的速度几乎和植物一样快

利用分子设计，研究人员开发了一种合成的水氧化催化剂，具有类似酶的腔，以加速反应。这种不寻常的催化系统以与光合作用中发现的光系统相当的速度实现了具有挑战性的氧化水分解反应。

水氧化是光合作用的关键步骤，它涉及利用太阳能将两个水分子分解成分子氧和质子。虽然这一过程在自然界中对维持生命至关重要，但廉价复制这一反应的能力可以通过产生稳定的氧气和氢气来帮助满足人类的能源需求。天然氧进化复合体的合成模拟物是已知的，但通常催化活性低或寿命短。“水很难氧化，”他解释道Stefan Bernhard他是美国卡内基梅隆大学的可再生能源化学家。“这个过程需要四个电子的转移，因此需要大量的电化学或光化学能量。其中一个特别棘手的方面是确保催化剂不会在这些苛刻的条件下被“烧”掉。”

钌金属中心已显示有前景作为水氧化催化剂但它们的性能强烈依赖于氧-氧键形成反应的机制途径。改变pH值可以促进水分子在金属中心附近的预组织，有利于水亲核攻击机制，从而提高催化性能。然而，这在催化剂设计中很少使用。

德国的研究人员现在开发了一种ph敏感的大环钌系统，能够在酸性条件下在金属中心周围形成酶样的空腔。“传统的过渡金属催化剂设计专注于直接结合配体来调整电子性质和结构环境，”他说弗兰克Wurthner他是德国Würzburg朱利叶斯-马克西米利安大学的有机化学家。“在这里，我们将钌催化剂嵌入到一个大循环中，以利用口袋对面的官能团。”

广泛的机理分析表明，大循环就像ph控制的门，在酸性条件下关闭形成小分子裂缝。在低pH时，大环主链上的碱基质子化，导致轴向配体轻微旋转。这就产生了一个封闭的酶样腔，其中氢键在反应性钌中心前预先组织水分子，从而实现快速氧化。

伯恩哈德说:“每秒140个催化剂的周转率非常快。”但催化剂实际能周转多少次呢?催化剂中优雅但脆弱的质子转移协调部分可能会极大地影响系统的稳健性。这是一个重要的经济考虑可行的催化剂在任何太阳能燃料发电系统。周转次数越多，燃料就会变得越便宜。”

该团队最终希望将这种催化剂开发成一个自给自足的分子系统，不依赖牺牲的氧化试剂来支持催化循环。然而，Würthner也认为，这种催化剂设计策略对催化所有领域的研究人员有更广泛的影响。“我真的希望我们的工作将有助于任何人在同质催化工作。我认为在利用相反的环境来控制催化反应方面还有很大的未开发领域。”