首次使用电子作为催化剂！中科院外籍院士建立全新的催化组装策略，为新材料创制奠定基...
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近日，2016 年诺贝尔化学奖得主 J·弗雷泽·斯托达特（J. Fraser Stoddart）教授团队迎来最新成果。论文发表在Nature 上，由清华博士焦阳担任共同一作。
该工作首次利用电子来催化和调控分子识别过程，借此衍生出一种全新的组装策略。论文题目很简单，只有四个英文单词：Electron-catalysed molecular recognition。翻译成中文也只有九个汉字：《电子催化的分子识别》。
“对超分子化学领域的一项重大贡献”
分子识别和自组装，是该研究的重点。分子识别（molecular recognition）是指，有机小分子或生物大分子（比如核酸、蛋白质）之间的相互辨认、匹配与结合。自组装（self-assembly）是指，物质的基本结构单元比如分子、纳米粒子、微米或更大尺度的粒子自发形成有序结构的一种技术。分子识别可以看作是自组装技术的基础。
自然界中，分子识别现象无处不在，支撑起生命体系的结构和功能。基于对此的理解，化学家建立了超分子化学，即“超越分子层次的化学”，希望师法自然，通过精准调控化学自组装过程，探索药物开发和材料创制的新范式。
在化学家眼中，催化是最有力的调控手段之一。过去两百年来，各类催化剂不断涌现，显著提高了化学反应的效率和选择性。但是迄今为止，依然很难获得合适的催化剂，用于催化分子间的识别和组装。
仅有的催化组装实例中，催化剂往往来自于意外发现，不仅结构复杂，且难以简化和改造。主要成因有两点：第一，分子间的作用力强度低、动态性显著，这造成分子识别远不如化学反应容易操控；第二，目前在自组装领域，人们对动力学和机理的探讨不够深入，很难为催化剂的理性设计提供指导。
该工作表明，要想加速分子识别，可能只需要化学世界中最小的粒子——电子。作为催化剂，电子最突出的优势就是简单、通用：既能被各类化学试剂引发，也能被电化学手段控制，还能通过光化学、力化学等方式实现。因而，电子催化的策略在基础研究和材料应用方面都有着无穷潜力。
审稿人评价称，该论文首次证明了电子可用于催化非共价反应。这是一种全新的催化类型，凭借其新颖性足以在 Nature 上发表。
另一位审稿人认为，该研究是对超分子化学领域的一项重大贡献，会对超分子材料化学和系统化学的发展产生重要影响。此外，得益于典范级的实验细节和机理分析，本文的结论 100% 可靠。
还有一位审稿人表示，基于电化学手段的催化组装，不仅可以完全消除对化学试剂的依赖，还提供了随时控制溶液中物种分布的能力。
意外发现、细心求证、提炼升华
焦阳表示，该研究主要经历如下阶段：
阶段一：意外发现。
焦阳的合作导师斯托达特教授是分子机器领域的先驱之一，近年来该团队开发出一款氧化还原驱动的人工分子泵，并基于此实现了高能聚轮烷的精准合成以及能量驱动的机械吸附。
但在三年前，他们对分子泵工作原理的认识，还存在一些盲点。例如，分子泵的运转分为两个步骤：第一步是将两个分子还原成自由基，进而在自由基配对作用的驱动下，发生分子识别；第二步则是将已经识别和组装起来的自由基复合物氧化回去，完成分子的输运。
焦阳的同事在实验中发现，在分子识别这一步，如果使用金属锌作为还原剂，就能轻松实现。而一旦将锌换成铜，虽然也能还原产生自由基，但完全不会发生识别。大家认为，这很可能是个催化过程。不过，有人觉得金属表面有特别的效应，自带催化属性；有人觉得金属锌的还原性更强，将自由基“过度还原”，从而实现了某种催化。
阶段二：细心求证。
焦阳对这个奇特的现象很感兴趣，决定仔细探索。一系列的控制实验做下来，他发现“过度还原”假说很可能是对的，但距离完全证明这一猜想还远远不够。为尽快得到确切答案，他设计了如下对比实验：制备两份样品，一份被“还原得恰到好处”，另一份则在此基础上，轻微地过度还原，通过比较这两份样品中分子识别的速率，就可以判定“过度还原”是不是决定性因素。
至此，问题转化为：如何制备一份“还原得恰到好处”的样品？为此他尝试过多种方法，最后发现只有在精确的工作电压下进行电解才能恰到好处地还原，得到所需样品。
筹备 3 个月后，终于迎来了一次关键性实验。在新制备的样品中，当两种自由基混合以后，10 个小时之内依然没有发生识别；然而，如果向样品中加入 4% 的微量还原剂，达到“过度还原”的效果，分子识别就会迅速启动，并在 70 分钟之内达到平衡态，速率加快了 640 倍。而多加一点（8%）还原剂，分子识别进行得更快，不到 10 分钟就能完成，速率加快了 3200 倍。
图 | 筹备了 3 个月的关键实验，让焦阳确认了神奇的催化现象（来源：Nature）
确认了催化现象以后，他很快踏上阐释催化机理的征程。为了表征催化中间体，焦阳将原本自动进行的催化过程拆解成多个步骤，并借助光谱学手段成功观察到催化中间体的形成及其后续转化。
仅有光谱证据还不够，催化体系物种繁多、互相牵连，想要将中间体分离出来，获取更详细的结构信息，非常困难。为解决该问题，他设计并合成了一种与中间体核心单元类似的模型分子，该分子是机械互锁结构，能将复杂的超分子体系简化成结构明确的单分子体系。
借此，他测得了模型分子的光谱信号、电子顺磁共振信号以及单晶结构。这些数据充分说明了催化中间体的结构特征，为催化机理提供了关键性证据。机理研究的另一项重要手段是量子力学计算，为此焦阳和国际知名计算化学家、加州理工学院材料与工艺模拟中心的威廉·戈达德（William A. Goddard）教授合作，历时一年，从理论层面确认了催化过程中活化能的显著降低，并揭示了两条共存的催化路径，从而为机理的准确性再加一层保险。
对于任意一个催化过程，首要的问题是：催化剂是什么？这让焦阳联想到 2014 年 Nature Chemistry 上的一篇综述文章，标题为《电子是一个催化剂》（The electron is a catalyst）。没错，真正的催化剂不是某种特定的分子，而是电子。事实上，“电子催化”的思想在合成化学中早已被广泛应用，但从未有人设想过电子也可作为分子识别和自组装过程的催化剂。基于此，论文的主旨和题目得以确定：电子催化的分子识别。
不过，科学界常常有这样的声音：“没人做过的事情，并不意味着重要。”于是焦阳进一步拷问自己，电子催化有什么独特的优势吗？他的总结是：内核越简单，外延越广阔。
一种催化模式想要获得广泛的使用，其基本要素一定要足够简洁，原理也要清晰明确。电子催化恰恰是这样一种简单、通用的方法。尽管本文中只展现了一个例子，但运用类似原理可以很容易设计出更多的“电子催化自组装”体系。
此外，电子是无处不在的，向体系中引入电子的操作，不仅可用化学试剂来完成，还可借助通电、光照或施加机械力等多种不同渠道来实现。这些与外界刺激的互动能力，都是构筑智能新材料的契机。
根据现有体系的特点，焦阳在论文中重点展示了两项电子催化的优势：其一，只要还原电位适合，理论上任何化学还原剂都能承担电子催化的引发任务。他检验了 10 种试剂，其中包括活泼金属、金属配合物、有机小分子等，发现它们都能启动分子识别，而且加速效果几乎相同。以往的催化组装手段，非常依赖催化剂的具体结构，而电子催化一定程度上减轻了这种“结构依赖”，从而提高了方法的实用性和兼容性。
其二，如果电子是催化剂，则不需要任何化学试剂，通电也可促进分子识别。实验结果支持了焦阳的推论，他将电极插入制备好的样品中，然后增加电压，只需要 10 秒钟，注入 0.1 库伦的电子，瞬间就能完成分子识别。如果将电化学池改造一下，还能在阴阳两极同时注入和移除等量的电子，利用体系中流过的电流，同样能达到催化效果。更重要的是，这种设计能帮助调控分子识别的进程。让分子识别可以“走走停停”，精确控制速率和转化率。这在以往的超分子体系中很难实现，也是论文的点睛之笔。
另据悉，在应用前景上，该成果有望用于构筑“自我锻炼”的人工肌肉，智能药物缓释系统、超分子电池等等。
“思想的实验”和“思想的结晶”
回顾研究历程，焦阳分享了两桩往事。一则关于科研理念，一则关于学术精神。
2020 年初，新冠疫情爆发，焦阳所在的美国西北大学计划关闭校园和实验室。当时，全组同事都在加班加点做实验，希望在关闭前收集到整套数据，以便隔离期间有论文可写。焦阳最初也是这么想的，所以连续加了几天夜班，把能想到的实验全部做完。
然而，隔离期间，当他开始整理数据写论文时，发现仍有很多问题没有讨论清楚，必须进一步做实验。最初他有点沮丧，看着同事们源源不断地产出论文，心里很着急，但已经困守家中，只能多做一些“思想的实验”。
就在这段时期，他有了难得的闲暇，可以深度思考电子催化的本质和优势。几个月后，实验室重新开放，这些“思想的结晶”都没有被浪费，也引导他去做更多重要的实验，最终造就一篇完美论文。
事后回想，如果没有这些波折，该研究很可能达不到如今的高度。科研本就是一个实践与思考螺旋互动的过程，平日里处在快节奏工作中，每天被大量实验计划催促，很难有余暇去深入思考最基础的科学问题。
从这个角度来看，疫情固然带来了很多困扰，但客观上也为他提供了“慢慢来”的机会。
在焦阳的计划中，他曾尝试利用光化学手段引入电子，以达到催化和控制分子识别的目的。实验时也确实观察到：光照的效果和通电非常类似，都能引起某个特征吸收峰的增加。
于是，在论文的第一稿中，他把光化学实验的结果和详细机理图都写了进去。为了支持机理中的假设，焦阳请一位光谱学专家帮忙测定中间态的寿命和反应途径。然而，对方经过仔细实验和分析后，发现提出的机理是不可能的，要看看有无其他可能性。
于是，焦阳做了一些对照实验，这才发现该体系在光照下是不稳定的，会发生分解、并产生光谱表征中的假象。失望之余，他更感到庆幸，要不是来自合作者的“警报”，自己很可能把错误的实验结果呈现给审稿人甚至全世界的读者。
最后，他删掉整个光化学部分的结果与讨论，同时暗下决心，未来一定要找到光稳定体系去实现未竟的目标。
随后，他将那位光谱学专家列为论文的共同作者，有一天专家发邮件问焦阳，自己的贡献不大，是不是放在致谢中更合适？于是，焦阳将这个故事讲给对方，并表示：“相比于发现真理，拒绝谬误同等重要，甚至更加重要。”对方收到焦阳的回信后欣然接受。
同时，他也认识到：第一，永远不要忽略对照实验的重要性；第二，要尊重并合理分配论文的署名。
作为一种全新的催化方法，电子催化的分子识别策略还需要深入理解和系统性拓展。因此，该团队接下来的主要目标包括：
1、提高催化效率，将电子的用量降低到千分之一以下；
2、拓展调控手段，将电子催化与电化学、光化学、力化学等诸多领域结合起来，赋予组装体更丰富的功能性；
3、将电子催化的理念应用于不同的组装体系，在分子、纳米、宏观等多个尺度上发挥作用。
曾被保送清华，已发表 11 篇一作论文
据介绍，焦阳来自吉林省四平市。于 2009 年保送至清华大学化学工程系高分子材料与工程专业学习，2013 年获得清华大学优良本科毕业生（前 15%）。同年，保送至该校化学系攻读博士学位，导师为中科院院士张希教授。
博士期间在导师的指导下，他提出并发展了“超分子自由基”的概念，运用动态的非共价相互作用稳定或活化有机自由基物种，实现了近红外光热转换、高效催化等多种功能。基于上述研究成果，先后获得研究生国家奖学金、中国胶体与界面化学一等奖、清华大学优秀博士学位论文、优秀博士毕业生（前 5%）等荣誉。
2018 年博士毕业后，他来到美国西北大学从事博士后研究，主要研究方向包括自组装的催化与调控，功能型分子机器的构筑。博后期间，他建立了“电子催化的分子识别”新策略，为催化组装提供了简洁、高效、可拓展的方法。
迄今为止，焦阳以第一作者身份发表论文共计 11 篇。目前，仍在西北大学做博士后。同时，他计划 2022 年或 2023 年回国工作，当下正在联系国内高校申请教职。此外，另一位论文共同一作邱允俨博士将于 2022 年夏入职新加坡国立大学化学系 [4]。
-End-
1、Jiao, Y., Qiu, Y., Zhang, L. et al. Electron-catalysed molecular recognition. Nature 603, 265–270 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04377-3
2、Wang, Y., Lin, H.-X., Chen, L. et al. What molecular assembly can learn from catalytic chemistry. Chemical Society Review 43, 399–411 (2014). https://doi.org/10.1039/c3cs60212e
3、Studer, A., Curran, D. P. The electron is a catalyst. Nature Chemistry 6, 765–773 (2014). https://doi.org/10.1038/nchem.2031
4、yunyanqiu.com
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