近日，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心曾杰教授、耿志剛特任教授、電子科技大學夏川教授合作，僅以空氣和水為原料，通過多步串聯反應，實現甘氨酸的定向合成。相關成果以“Oriented Synthesis of Glycine from CO₂, N₂, and H₂O via a Cascade Process”為題發表于《德國應用化學》雜志（Angew. Chem. Int. Ed. 2024,e202411160）。

氨基酸是構成蛋白質和多肽的基石，在生物體中扮演著重要的角色。云層中的閃電驅動空氣和水發生反應，形成氨基酸，這被認為是生命起源的第一步。然而，閃電過程發生的化學反應非常復雜，所得到的氨基酸也不是單一類型的氨基酸。因此，探索以空氣和水為原料，在環境條件下定向合成單一類型的氨基酸，對理解生命起源過程具有重要意義。

在這項工作中，研究人員開發了一條在環境條件下，僅以空氣和水為原料定向合成甘氨酸的路線（圖1）。

圖1.僅以空氣和水為原料定向合成甘氨酸的反應路線設計圖

整個過程由三個主要步驟組成，分別是二氧化碳轉化、氮氣固定以及定向碳氮偶聯。在第一個步驟中，二氧化碳首先在非質子電解質中發生碳碳偶聯，形成草酸鹽。草酸鹽經過酸化結晶制備純草酸。隨后，對草酸進行電還原制備出乙醛酸。在第二個步驟中，采用鋰介導的電化學固氮方法制備氨，產物分離后將其與氧還原反應產生的過氧化氫在溫和條件下反應合成出羥胺。在第三個步驟中，羥胺和乙醛酸發生碳氮偶聯的自發反應，生成乙醛酸肟，并通過進一步的電還原反應得到目標產物甘氨酸。通過除雜和結晶，研究人員最終僅以空氣和水為原料，在實驗室中合成出了5.1588克高純度的固體甘氨酸（圖2）。

圖2.僅以空氣和水為原料定向合成甘氨酸的催化性能及產物甘氨酸的實物照片

本工作開發的定向合成路線，從二氧化碳到甘氨酸的碳選擇性達到97.7%，從氮氣到甘氨酸的氮選擇性高達98.7%。同時，合成甘氨酸的總能量轉換效率高達5.9%，優于自然界的光合作用。這項工作有望推動以空氣和水為原料的綠色制造和生命起源研究。

此項研究得到科技部重點研發、中國科學院先導專項、國家自然科學基金、中國科學技術大學青年創新重點基金等項目的支持。曾杰教授、耿志剛教授和電子科技大學夏川教授為通訊作者。特任副研究員孔祥棟、電子科技大學博士后劉春曉和化學物理系博士研究生徐子凡為共同第一作者。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202411160

（合肥微尺度物質科學國家研究中心、科研部）