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Rational Construction of an Artificial Binuclear Copper Monooxygenase in a Metal–Organic Framework

化学 脱质子化 热重分析 活动站点 单加氧酶 立体化学 催化作用 密度泛函理论 组合化学 营业额 键裂 铜蛋白 反应性(心理学) 计算化学 生物催化 加合物 氢氧化物 有机化学
作者
Xuanyu Feng,Yang Song,Justin S. Chen,Ziwan Xu,Soren J. Dunn,Wenbin Lin
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (2): 1107-1118 被引量:115
标识
DOI:10.1021/jacs.0c11920
摘要

Artificial enzymatic systems are extensively studied to mimic the structures and functions of their natural counterparts. However, there remains a significant gap between structural modeling and catalytic activity in these artificial systems. Herein we report a novel strategy for the construction of an artificial binuclear copper monooxygenase starting from a Ti metal-organic framework (MOF). The deprotonation of the hydroxide groups on the secondary building units (SBUs) of MIL-125(Ti) (MIL = Matériaux de l'Institut Lavoisier) allows for the metalation of the SBUs with closely spaced CuI pairs, which are oxidized by molecular O2 to afford the CuII22-OH)2 cofactor in the MOF-based artificial binuclear monooxygenase Ti8-Cu2. An artificial mononuclear Cu monooxygenase Ti8-Cu1 was also prepared for comparison. The MOF-based monooxygenases were characterized by a combination of thermogravimetric analysis, inductively coupled plasma-mass spectrometry, X-ray absorption spectroscopy, Fourier-transform infrared spectroscopy, and UV-vis spectroscopy. In the presence of coreductants, Ti8-Cu2 exhibited outstanding catalytic activity toward a wide range of monooxygenation processes, including epoxidation, hydroxylation, Baeyer-Villiger oxidation, and sulfoxidation, with turnover numbers of up to 3450. Ti8-Cu2 showed a turnover frequency at least 17 times higher than that of Ti8-Cu1. Density functional theory calculations revealed O2 activation as the rate-limiting step in the monooxygenation processes. Computational studies further showed that the Cu2 sites in Ti8-Cu2 cooperatively stabilized the Cu-O2 adduct for O-O bond cleavage with 6.6 kcal/mol smaller free energy increase than that of the mononuclear Cu sites in Ti8-Cu1, accounting for the significantly higher catalytic activity of Ti8-Cu2 over Ti8-Cu1.
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