中国科大仅以空气和水为原料实现甘氨酸的定向合成

近日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心曾杰教授、耿志刚特任教授、电子科技大学夏川教授合作，仅以空气和水为原料，通过多步串联反应，实现甘氨酸的定向合成。相关成果以“Oriented Synthesis of Glycine from CO2, N2, and H2O via a Cascade Process”为题发表于《德国应用化学》杂志（Angew. Chem. Int. Ed. 2024,e202411160）。

氨基酸是构成蛋白质和多肽的基石，在生物体中扮演着重要的角色。云层中的闪电驱动空气和水发生反应，形成氨基酸，这被认为是生命起源的第一步。然而，闪电过程发生的化学反应非常复杂，所得到的氨基酸也不是单一类型的氨基酸。因此，探索以空气和水为原料，在环境条件下定向合成单一类型的氨基酸，对理解生命起源过程具有重要意义。

在这项工作中，研究人员开发了一条在环境条件下，仅以空气和水为原料定向合成甘氨酸的路线（图1）。

图1.仅以空气和水为原料定向合成甘氨酸的反应路线设计图

整个过程由三个主要步骤组成，分别是二氧化碳转化、氮气固定以及定向碳氮偶联。在第一个步骤中，二氧化碳首先在非质子电解质中发生碳碳偶联，形成草酸盐。草酸盐经过酸化结晶制备纯草酸。随后，对草酸进行电还原制备出乙醛酸。在第二个步骤中，采用锂介导的电化学固氮方法制备氨，产物分离后将其与氧还原反应产生的过氧化氢在温和条件下反应合成出羟胺。在第三个步骤中，羟胺和乙醛酸发生碳氮偶联的自发反应，生成乙醛酸肟，并通过进一步的电还原反应得到目标产物甘氨酸。通过除杂和结晶，研究人员最终仅以空气和水为原料，在实验室中合成出了5.1588克高纯度的固体甘氨酸（图2）。

图2.仅以空气和水为原料定向合成甘氨酸的催化性能及产物甘氨酸的实物照片

本工作开发的定向合成路线，从二氧化碳到甘氨酸的碳选择性达到97.7%，从氮气到甘氨酸的氮选择性高达98.7%。同时，合成甘氨酸的总能量转换效率高达5.9%，优于自然界的光合作用。这项工作有望推动以空气和水为原料的绿色制造和生命起源研究。