转自：中国科学报

高温高压、有机溶剂、金属催化剂——这些工业界费尽心力仍难以摆脱的“标配”，一种深海真菌在水溶液中就悄然完成了。它究竟藏着怎样的秘密？

9月1日，《美国化学会志》在线刊发了中国科学院南海海洋研究所研究员闫岩团队与海南师范大学副教授黎婉珊团队的合作成果。他们完整解析了深海真菌天然产物cytosporin的生物合成路径，并首次发现其中五元环碳酸酯结构可在中性水溶液中通过环氧介导的二氧化碳偶联反应自发形成，无需任何催化剂或外部能量输入。

“这项研究的意义远不止于解开一个真菌天然产物的生物合成之谜。”论文共同通讯作者闫岩告诉《中国科学报》，该发现颠覆了人们对二氧化碳与环氧化物偶联必须依赖苛刻条件的传统认知，揭示了自然界在温和水溶液中实现二氧化碳固定的精妙化学策略。

一个让化学家“眼红”的难题

将二氧化碳高效转化为有机碳酸酯，是绿色化学和可持续能源领域的热门方向。其中，二氧化碳与环氧化物偶联生成环碳酸酯被认为最具应用前景。然而，现有工艺通常依赖有机溶剂、过渡金属催化剂，且需高温高压，能耗较高。

二氧化碳，这个被全球气候变暖议题推上风口浪尖的“罪魁祸首”，在化学家眼中却是一座尚未被充分开发的“碳矿”。如果能将它高效转化为有价值的化学品，不仅能缓解碳排放压力，还能变废为宝。

论文第一作者、中国科学院南海海洋研究所助理研究员肖华告诉《中国科学报》，在众多转化路径中，有一条路线格外诱人：将二氧化碳与环氧化物偶联，生成五元环碳酸酯。他解释说，环状碳酸酯是一类重要的化工原料，在锂离子电池电解液、聚碳酸酯塑料、医药中间体等领域应用广泛。更令人心动的是，这条反应路径具有100%的原子经济性——原料中的所有原子都进入了最终产物，不产生任何副产物，堪称“零浪费”的理想反应。

然而，理想很丰满，现实很骨感。

要让化学性质极其“高冷”的二氧化碳和环氧化物“心甘情愿”地走到一起，化学家们不得不开出苛刻的条件：高温、高压、有机溶剂、过渡金属催化剂。几十年来，全球无数研究团队致力于开发更高效、更绿色的催化剂，但始终难以摆脱对严苛条件的依赖——高能耗、高成本、潜在的重金属污染，如同三道紧箍咒束缚着这项技术的规模化应用。

那么，有没有一种更“聪明”的办法？大自然或许早已给出了答案。

肖华表示，近年来，科学家从微生物和植物中陆续分离出多种天然环碳酸酯化合物，但它们的生物合成机制，尤其是五元环碳酸酯如何在生物体内形成，长期是一个未解之谜。直到这项研究，谜底才被揭开。

破解真菌的“秘密工厂”

研究团队将目光投向了一类名为cytosporin的真菌天然产物。它由一株深海真菌Eutypella sp. F0219产生，其分子结构中含有一个罕见的五元环碳酸酯——正是化学家们梦寐以求的那类化合物。

“问题是：这种真菌是如何在常温、常压、水溶液的环境中，造出这个五元环碳酸酯的？”肖华说。

为回答这一问题，团队在国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助下，对产生菌进行了基因组测序，从中锁定了一个约46.8 kb的候选基因簇cyt，包含15个基因。这就像一个“秘密工厂”的完整设计图纸，接下来的任务是搞清楚每个“车间”具体做什么。

论文共同通讯作者黎婉珊介绍，通过一系列精巧的异源表达和饲喂实验——好比把不同“车间”的设备搬到另一个工厂里单独测试——团队逐一鉴定了cyt基因簇中每个后修饰酶的功能：CytE负责羟基化，CytN负责异戊烯基化，CytH负责氧化和环氧化，CytI负责羰基还原，CytO引发分子内重排，CytK完成最后的环氧开环。经过这十多个酶的接力催化，一个复杂的前体分子最终被组装完成。

然而，一个令人困惑的“悬案”出现了——整个cyt基因簇中，没有任何一个酶能够催化碳酸酯环的形成。

“图纸翻遍了，所有‘车间’都排查完了，却找不到生产最终产品‘五元环碳酸酯’的那道工序。这就像一个完整的汽车制造厂，所有零部件都已生产就绪，却没有安装轮胎的机器——但成品车的轮胎却完好无损地在那里。”黎婉珊说。

答案指向了唯一可能性：这道“工序”不是由酶催化的，而是自发完成的。

大自然的中性“绿色化学”

研究团队将目光投向非酶促反应。通过比较前体分子与最终产物的结构差异，他们敏锐地推测：碳酸酯环很可能来源于无机碳酸氢盐——也就是二氧化碳在水溶液中的主要存在形式。

验证实验的结果令人振奋：将前体分子在pH 6.0至8.0的水溶液中与碳酸氢钠一起孵育，当pH达到7.0及以上时，前体分子显著转化为含有五元环碳酸酯的产物。

“这意味着：在常温、常压、纯水、无需任何催化剂的近中性条件下，二氧化碳（以碳酸氢根形式存在）就能与前体分子‘自发’偶联，生成化学家们长期追求的五元环碳酸酯。”肖华说。

但科学需要确凿证据。为了证实碳酸酯环中氧原子的来源，团队使用了18O标记的碳酸氢盐进行示踪实验——好比给碳酸氢盐中的氧原子贴上“发光标签”，追踪它们最终的去向。结果显示，产物中有两个氧原子被成功标记，核磁共振波谱确认这两个氧原子分别位于碳酸酯环的两个关键位置——它们全部来源于碳酸氢盐，而非水溶剂。这一结果排除了氧原子来自水的可能性，确凿证实了二氧化碳确实被“捕获”并固定到了产物分子中。

团队进一步提出了详细的反应机理：在近中性条件下（此时碳酸氢根占主导），碳酸氢根离子首先进攻前体分子上的环氧结构，打开三元环，随后分子内部邻近的羟基对中间体羰基发起分子内进攻，脱水后形成五元环碳酸酯。动力学研究表明，反应速率对底物和碳酸氢根浓度均呈一级动力学依赖关系，室温下反应速率常数为0.15M-1·h-1。

更令人惊讶的是，这一反应并非cytosporin的“独家秘笈”。团队测试了多种结构类似物，发现只要具备特定的双环或三环骨架结构，都能在中性水溶液中与碳酸氢盐反应生成相应的五元环碳酸酯。这表明这一非酶促二氧化碳偶联机制在天然产物生物合成中可能具有相当广泛的普适性。

闫岩表示，在工业领域，二氧化碳与环氧化物偶联生成五元环碳酸酯，被视为二氧化碳资源化利用最具技术可行性和经济前景的路线之一。然而，现有催化过程依赖有机溶剂、过渡金属催化体系以及高温高压条件——这些都是高能耗、高成本的代名词。而最新研究揭示了一条迥然不同的路径：在中性水溶液、常温常压、无需任何催化剂或外部能量输入的条件下，二氧化碳（碳酸氢根）就能与合适的环氧底物自发偶联。

“这一发现不仅拓展了我们对天然产物生物合成中二氧化碳固定化学的认知，更为开发环境友好的有机碳酸酯绿色合成路线提供了极具价值的启示。”闫岩指出，或许在不久的将来，化学家们能从这种深海真菌的“智慧”中汲取灵感，设计出更温和、更绿色的二氧化碳转化工艺。

相关论文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.6c12612