背景介绍

手性化合物在医药、农药、精细化工等领域有着巨大的市场需求，其中手性醇是生产活性中间体的重要原料。酶催化效率高，产物纯度高。酶法催化前手性酮的不对称还原是合成手性醇的一种有效方法，近年来受到越来越多的关注。然而，酶催化过程中通常需要昂贵的辅酶NADH参与转移电子和质子，利用电催化辅酶再生有操作简单、成本低、过程易监测、产品易分离等优势。在电化学辅酶再生过程中，需要电子媒介来克服选择性差、产生非活性二聚体和过电势高等问题。铑络合物([Cp*Rh（bpy)H2O]，Cp*=五甲基环戊二烯基，bpy=2,2'-联吡啶，Rh(Ⅲ)）因其具有较高的再生效率、选择性和稳定性，近年来逐渐受到人们的关注。然而，铑络合物具有毒性，会导致酶失活，将电子介体固定在电极上可以抑制对酶的毒性作用，简化产物的分离，实现电子媒介的回收再利用。有研究表明含有-S-或-N部分的化合物（即常用作电极表面功能化的前体）会导致电子媒介失活，因为它们与Rh中心的相互作用阻止了活性氢化铑络合物的形成。逐步接枝的策略可以对-S或-N实现共价固定以减小对Rh络合物性能的影响。此外，游离酶稳定性差，难以回收和再利用且手性醇的前体通常水溶性较差，设计和选择合适的固定化酶载体不仅可以提高酶的稳定性和重复使用性，还可以富集底物，从而提高酶催化效率。

姜艳军团队通过将电化学辅酶再生与固定化酶偶联，构建了高效合成手性醇的不对称还原体系。在电催化辅酶再生部分，利用单宁酸）（TA）和聚乙烯亚胺（PEI）在碳毡（CF）电极上形成亲水表面，增大电极的有效接触面积，增加电极表面的可用官能团，从而进一步通过逐步接枝策略将电子媒介Rh络合物锚定在电极上；在酶催化部分，选择具有疏水性的COF作为固定化酶的载体，可以富集底物，提高酶分子附近局部底物浓度，提高催化效率。将固定化酶催化与电化学辅酶再生相结合，构建高效不对称还原合成手性醇的电酶催化体系。对系统的相关参数进行优化，扩大底物的适用范围。

图1 展示了用于不对称手性醇合成的电酶催化系统，以及电酶催化系统中用于辅酶再生的Rh@TA-PEI@CF阴极的制备过程示意图。

图2 展示了固定化载体的扫描电子显微镜图像和透射电子显微镜图像，通过X射线衍射（XRD）、氮气吸附脱附分析（BET）、FT-IR证实了固定化酶的成功制备。利用水接触角表征对比COF-OMe和COF-OH的亲疏水性。并对固定化酶的机械稳定性进行了研究，佐以圆二色谱的数据分析证实固定化酶的机械稳定性能远超游离酶且酶LfSDR1在固定化过程中仍保留了原有的蛋白二级结构。

图3 展示了Rh@TA-PEI@CF电极的扫描电子显微镜图像（SEM）和元素分布图像以及电极断面的扫描电子显微镜图像及放大图。逐步接枝后，由于电极表面粗糙度的增加，以及通过表面改性加入了亲水基团-NH2，使得碳毡电极能够在溶液中充分浸润。为了验证所制备电极的亲疏水性，对电极进行了亲疏水的表征及图片对比。利用傅里叶红外光谱（FT-IR）、X射线光电子能谱（XPS）及zeta电位分析了电极中元素的化学状态及各化学键的组成，证明了电极材料的成功负载。

图4 展示了Rh@TA-PEI@CF电极的循环伏安曲线（CV）以及电化学阻抗谱（EIS），Rh修饰的Rh@TA-PEI@CF电极在~ -0.8V（vs. Ag/AgCl）处有明显的还原峰，且引入TA-PEI亲水修饰后，电极表面粗糙度增加，电化学体系的溶液可以快速浸润到TA-PEI@CF电极中，从而增加了电极传质的总表面积，使得电极阻抗下降。使用Rh@TA-PEI@CF电极进行电化学辅酶再生，最大NADH再生量可达300 μM，一次性添加4 mM NADH、100 mg固定化酶且底物浓度为10 mM的2-氯苯乙醇时，(R)-2-氯-1-苯乙醇的产率达到95.5%，分别是裸CF电极和游离Rh(Ⅲ)的3倍和2.25倍。固定化载体可以保护酶分子，疏水的COF-OMe相比COF-OH可以更好地富集底物从而提高产率，LfSDR1@COF-OMe的(R)-2-氯-1-苯乙醇产率比LfSDR1@COF-OH高4.3%，是游离LfSDR1的3.1倍。优化了电酶合成工艺的相关参数，该反应的最大TOF为101.1 h^-1。

图5 扩大了不对称还原手性醇电酶合成体系的底物谱，证明了该系统具有一定的通用性。