作者：Ben Panko，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)

20世紀(jì)和21世紀(jì)，全球合成化學(xué)品的使用量激增，包括殺蟲劑，藥物和家用清潔劑 - 其中許多最終進(jìn)入我們的水道。即使少量這些物質(zhì)也會(huì)影響野生動(dòng)物，植物和人類，其中一些物質(zhì)已經(jīng)顯示出對正常水處理方法的抵抗力，使它們在環(huán)境中不受控制地積聚。

在ACS Catalysis發(fā)表的一項(xiàng)研究中，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)綠色科學(xué)研究所（IGS）的研究人員通過揭示強(qiáng)大，安全和廉價(jià)的氧化催化劑開辟了可持續(xù)化學(xué)新領(lǐng)域的道路，這些催化劑受到我們內(nèi)部生物過程的啟發(fā)，甚至可以破壞最頑固的微污染物。

“這可能是我們20年來制作的最重要的論文，”Teresa Heinz綠色化學(xué)教授Terrence J. Collins說道，他是IGS的負(fù)責(zé)人。

柯林斯從新西蘭的本科生時(shí)代起一直關(guān)注合成化學(xué)品的有害生物效應(yīng)，過去四十年來一直致力于開發(fā)使用氧化過程從水中去除這些化學(xué)物質(zhì)的方法，這是一個(gè)熟悉的過程對人體。

柯林斯指出：“氧化化學(xué)是我們生物化學(xué)中相當(dāng)大比例的一部分。” “這就是大自然如何處理將有機(jī)物質(zhì)，特別是非常耐化學(xué)腐蝕的有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可用于生物化學(xué)的物質(zhì)或能量來保持生物體運(yùn)轉(zhuǎn)的問題。有時(shí)，對于驅(qū)動(dòng)氧化化學(xué)的酶來說，抗性太大了我們擁有持久的化合物，而大自然無能為力。“

我們體內(nèi)和自然界其他地方的許多氧化反應(yīng)選擇的底物是過氧化氫，過氧化物酶激活它們以分解食物和我們攝入的其他物質(zhì)中的分子�？铝炙棺�1980年以來的目標(biāo)主要是重建力量和效率這些酶與其產(chǎn)生的人工催化劑稱為四酰胺大環(huán)配體（TAML）。

柯林斯說：“我們必須使催化劑的鐵中心與過氧化物酶的鐵中心具有相同的化學(xué)性質(zhì)。” “我們花了15年時(shí)間系統(tǒng)地弄清楚如何使TAML催化劑組合物正常運(yùn)行。然后我們得到了第一個(gè) - 我們花了20年時(shí)間試圖讓它更好。”

在這項(xiàng)新的研究中，柯林斯描述了這些改進(jìn)催化劑的“記錄設(shè)定”性能，稱為NewTAMLs。測試表明，無限量的這些催化劑活化過氧化氫，在不到五分鐘的時(shí)間內(nèi)從水中消除藥物和常見的微污染物普​​萘洛爾。

由于其速度和效率，柯林斯設(shè)想NewTAML比目前的水處理技術(shù)（如臭氧凈化）節(jié)省了大量成本。然而，對他而言，比成本和動(dòng)力更重要的是安全性。如果催化劑本身最終對生物體造成有害影響，那么消除微污染物的催化劑將毫無意義。

柯林斯解釋說：“找出某些東西是否具有劇毒性是非常微不足道的 - 當(dāng)你的身體中有萬億分之一的東西有明顯的毒性時(shí)，你會(huì)遇到大問題。” “你體內(nèi)的內(nèi)分泌激素以萬億分之一到十億分之一左右的濃度工作。它們控制著生命的發(fā)展和我們變成的東西。我們發(fā)現(xiàn)的每一種日常生活中的化學(xué)物質(zhì)都是內(nèi)分泌干擾物，就像一部科幻小說恐怖故事 - 但這是現(xiàn)實(shí)。“

為了測試催化劑的安全性，柯林斯幫助世界領(lǐng)先的內(nèi)分泌干擾科學(xué)領(lǐng)域確定了適當(dāng)?shù)臋z測方法，并在邏輯上對其進(jìn)行篩選，以篩查化學(xué)品的低劑量不良反應(yīng)。并且TAML和NewTAML已被用于測試由此產(chǎn)生的內(nèi)分泌干擾分層協(xié)議。 NewTAML論文在小鼠中加入了內(nèi)分泌干擾試驗(yàn)，候選催化劑以漂亮的顏色通過。

此外，柯林斯及其團(tuán)隊(duì)最終拒絕了可能大大改善TAML性能的潛在催化劑元素，因?yàn)樗鼈內(nèi)狈ι�物體。例如，在TAML中添加氟可大大提高其性能和穩(wěn)定性，但氟是生物中很少見的物質(zhì)，研究人員擔(dān)心將其制成飲用水中的催化劑會(huì)增加處理水中的氟化物和氟化物降解產(chǎn)物。 “我們測試時(shí)沒有出現(xiàn)負(fù)面毒性結(jié)果，”柯林斯說。 “試圖在不使用氟的情況下再現(xiàn)氟的獨(dú)特和卓越的電子特性的決定被證明是我們獲得NewTAML獎(jiǎng)勵(lì)的關(guān)鍵原因。”

柯林斯說：“保持毒性安全的首要方法是用你制造的相同元素來建立你的化學(xué)技術(shù)。”

這種“生物啟發(fā)”的化學(xué)方法是柯林斯和綠色科學(xué)研究所開創(chuàng)性的可持續(xù)超稀釋氧化催化新領(lǐng)域的支柱。

More information: Genoa R. Warner et al, Bioinspired, Multidisciplinary, Iterative Catalyst Design Creates the Highest Performance Peroxidase Mimics and the Field of Sustainable Ultradilute Oxidation Catalysis (SUDOC), ACS Catalysis (2019). DOI: 10.1021/acscatal.9b01409

Journal information: ACS Catalysis

原文鏈接：https://phys.org/news/2019-07-groundbreaking-bioinspired-chemistry.html

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