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Semiartificial Photoelectrochemistry for CO2-Mediated Enantioselective Organic Synthesis

作者
Tessel Bouwens,Samuel J. Cobb,Celine W. S. Yeung,Yongpeng Liu,Guilherme Martins,Inês A. C. Pereira,Erwin Reisner
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (16): 13114-13119 被引量:16
标识
DOI:10.1021/jacs.5c02250
摘要

High Resolution Image Download MS PowerPoint Slide Photoelectrochemical (PEC) cells are under intensive development for the synthesis of solar fuels, but CO 2 reduction typically only results in simple building blocks such as HCOO – . Here, we demonstrate that CO 2 -converting PEC cells can drive integrated enzymatic domino catalysis to produce chiral organic molecules by using CO 2 /HCOO – as a sustainable redox couple. First, we establish a semiartificial electrode consisting of three enzymes co-immobilized on a high surface area electrode based on carbon felt covered by a mesoporous indium tin oxide (ITO) coating. When applying a mild cathodic potential (−0.25 V vs the reversible hydrogen electrode (RHE)), CO 2 is reduced to HCOO – using a W-formate dehydrogenase (FDH NvH ) from Nitratidesulfovibrio vulgaris Hildenborough, which then enables the reduction of NAD + to NADH by an NAD + -cofactor-dependent formate dehydrogenase from Candida boidinii (FDH CB ). Subsequently, an alcohol dehydrogenase (ADH) uses NADH generated from CO 2 /HCOO – cycling to reduce acetophenone to chiral 1-phenylethanol in good enantiomeric excess (93%) and conversion yields (38%). Depending on the specific ADH (ADH S or ADH R ), either ( S )- or ( R )-1-phenylethanol can be synthesized at pH 6 and 20 °C. To illustrate solar energy utilization, we integrate the three nanoconfined enzymes with a PEC platform based on an integrated organic semiconductor photocathode to allow for enantioselective synthesis (at +0.8 V vs RHE) based on a solar fuel device. This proof-of-principle demonstration shows that concepts and devices from artificial photosynthesis can be readily translated to precise and sustainable biocatalysis, including the production of chiral organic molecules using light.
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