原子精确铜纳米团簇构建的首对同工纳米酶揭示结构-性能关系

《Aggregate》：Iso-Nanozymes of Atomically Precise Copper Nanoclusters

本文首次报道了由原子精确的铜纳米团簇（[Cu32(SC2H5)16(PPh3)8Cl9]+和 [Cu30(SC2H5)16(PPh3)6Cl9]+）构成的“同工纳米酶（Iso-Nanozymes）”。研究表明，仅缺失两个PPh3Cu+单元的结构差异使Cu30在模拟辣根过氧化物酶（HRP）反应中的比活性（SA）提升约6.5倍。通过密度泛函理论（DFT）计算揭示，其催化性能差异源于几何结构与电子结构变化导致的吸附能差异。该研究为在原子水平理解纳米酶结构-性能关系提供了理想模型系统。

　　

引言

酶作为生物系统和工业过程中的关键催化剂，其应用常受限于高成本、环境敏感性及回收困难等问题。纳米酶（Nanozymes）作为一类基于纳米结构的酶模拟物，因其高稳定性、强催化性能、低成本和可回收性等优势受到广泛关注。然而，与天然酶的结构精确性形成鲜明对比的是，大多数纳米酶结构定义不清，缺乏能够模拟天然同工酶（Isoenzymes）的体系，这严重阻碍了对其结构-性能关系的深入理解。原子精确的金属纳米团簇（Atomically Precise Metal Nanoclusters）是一类新兴的纳米酶材料，其具有明确的化学组成和几何结构，允许在原子尺度上精确调控和探究催化性能。本文首次报道了一对结构相似但催化性能迥异的铜纳米团簇同工纳米酶，为在原子水平揭示纳米酶的结构-性能关系提供了模型系统。

结果与讨论

同工纳米酶Cu₃₂与Cu₃₀的合成与结构表征

本研究中的两个铜纳米团簇纳米酶采用不同方法合成。Cu₃₀团簇参照Bakr等人的方法合成，而Cu₃₂团簇则基于课题组近期报道的铜硼氢化物介导的还原策略制备。单晶X射线衍射（XRD）分析成功解析了两种团簇的分子结构。Cu₃₂团簇的分子式为[Cu₃₂(SC₂H₅)₁₆(PPh₃)₈Cl₉]⁺，其整体结构可描述为半立方体构型。Cu₃₀团簇的分子式为[Cu₃₀(SC₂H₅)₁₆(PPh₃)₆Cl₉]⁺，其结构可视为从Cu₃₂的半立方体角位点上移除了两个PPh₃Cu⁺单元。两者在内部骨架和表面配体排布上高度相似，主要区别在于Cu₃₀缺失了两个PPh₃Cu⁺单元，导致其角位点硫醇配体的配位模式由μ₄变为μ₃，且周围原子间键长缩短。电喷雾电离质谱（ESI-MS）、X射线光电子能谱（XPS）等一系列表征技术证实了团簇组成的精确性和电子结构的差异。Cu₃₂为六电子体系，而Cu₃₀为四电子体系。

催化性能评估：显著的活性差异

研究人员评估了Cu₃₂和Cu₃₀在典型的辣根过氧化物酶（HRP）模拟反应中的催化活性，该反应以3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）为显色底物。结果表明，在H₂O₂存在下，两种团簇均能催化无色TMB转化为蓝色的oxTMB，显示出过氧化物酶（POD）样活性。然而，Cu₃₀的催化能力显著高于Cu₃₂。时间进程测量显示，Cu₃₀纳米酶催化oxTMB的生成量随时间近似线性增加，而Cu₃₂的催化速率则低得多。在相同条件下，Cu₃₀的比活性（SA）为85.8 U/g，约为Cu₃₂（13.1 U/g）的6.5倍。此外，研究发现Cu₃₀对pH变化更敏感，表明其催化活性更依赖于微环境条件。进一步的酶动力学参数测定表明，Cu₃₀对TMB的米氏常数（K_m，3.1 mM）低于Cu₃₂（6.7 mM），表明其对底物TMB具有更强的亲和力。Cu₃₀对TMB的催化效率（k_cat/K_m，33.5 M^-1s^-1）也显著高于Cu₃₂（18.1 M^-1s^-1）。系统评估表明，两种团簇均不具备氧化酶（OXD）和超氧化物歧化酶（SOD）样活性，但Cu₃₀表现出良好的过氧化氢酶（CAT）样活性，而Cu₃₂几乎无此活性。

性能差异的结构与电子起源

催化性能的显著差异源于两者几何和电子结构的不同。从几何结构看，Cu₃₀缺失两个PPh₃Cu⁺单元，形成了更开放的表面结构，为底物吸附提供了更大空间，减少了空间位阻，有利于团簇表面与底物TMB的相互作用，增加了铜活性位点的暴露。从电子结构看，两个PPh₃Cu⁺单元的移除不仅改变了团簇的整体对称性，也扰动其电子环境。密度泛函理论（DFT）计算表明，Cu₃₂的六个自由电子呈现1S²1P⁴的电子构型，其最高占据分子轨道（HOMO）呈P特征（哑铃形）。而Cu₃₀为四电子体系，构型为1S²1P²，对称性破缺导致其1P轨道发生显著畸变。电荷分析显示，Cu₃₀表面铜原子所带正电荷低于Cu₃₂，形成了更富电子、亲核性更强的表面，这有利于与TMB等中性有机分子的相互作用。吸附能计算证实，Cu₃₀对TMB的吸附能（-43.62 kJ/mol）显著负于Cu₃₂（-27.41 kJ/mol），表明其与底物形成更稳定复合物。循环伏安法（CV）测量显示Cu₃₀具有更窄的电化学间隙，实验验证了其更低的电子转移势垒和更强的电荷转移能力，与其更高的POD模拟活性相符。

结论

本研究首次在原子水平上深入揭示了同工纳米酶的结构-性能关系。通过研究一对几何结构类似但催化性能差异显著的原子精确铜纳米团簇[Cu₃₂(SC₂H₅)₁₆(PPh₃)₈Cl₉]⁺和[Cu₃₀(SC₂H₅)₁₆(PPh₃)₆Cl₉]⁺，发现仅缺失两个PPh₃Cu⁺单元的细微结构修饰，即可导致HRP模拟活性提升约6.5倍。几何结构（更开放的表面）和电子结构（对称性破缺导致的电子密度重排和更富电子表面）的共同作用是催化性能产生差异的主要原因。该工作引入了“同工纳米酶”的新概念，为理解纳米酶结构（直至原子水平）如何调控催化活性提供了基本见解，填补了关键知识空白，有助于高性能纳米酶的理性设计，并展示了原子精确铜纳米团簇在纳米酶化学中的潜力。

实验过程

材料

实验所用试剂包括硼氢化钠（NaBH₄）、二乙基二硫醚（(C₂H₅S)₂）、三氟乙酸铜（Cu(CF₃CO₂)₂）、三苯基膦（PPh₃）、四苯基氯化鏻（PPh₄Cl>）、铜硼氢化物（CuBH₄(PPh₃)₂）、过氧化氢（H₂O₂）、TMB等，均购自商业供应商，未经进一步纯化直接使用。

[Cu₃₀(SC₂H₅)₁₆(PPh₃)₆Cl₉]⁺的合成

将Cu(CF₃CO₂)₂溶于甲醇/乙腈混合溶剂，依次加入PPh₃（氯仿溶液）、NaSbF₆（甲醇溶液）和(C₂H₅S)₂（乙腈溶液）。快速加入NaBH₄（甲醇溶液）引发反应，室温老化3小时。收集橙色沉淀，溶于过量氯仿，过滤后通过乙醚蒸气扩散法结晶7天，得到黄色块状晶体，产率约6%（基于铜）。

[Cu₃₂(SC₂H₅)₁₆(PPh₃)₈Cl₉]⁺的合成

将Cu(CH₃CN)₄BF₄溶于甲醇，加入PPh₄Cl（甲醇溶液），随后滴加(C₂H₅S)₂（二氯甲烷溶液）。搅拌10分钟后，加入还原剂CuBH₄(PPh₃)₂（二氯甲烷溶液）引发还原反应，室温搅拌12小时。分离橙黄色上清液，通过乙醚蒸气扩散法结晶7天，得到橙色针状晶体，产率约56%（基于铜）。晶体学数据已存入剑桥晶体学数据中心。