近日，浙江师范大学韩金利、杨启华教授团队联合山西大学杨恒权教授在人工光合成研究领域取得重要进展。该研究创新性地设计合成了一系列具有不对称结构的多元共价有机框架(MTV-COF)光催化剂，成功实现了高效的NADH光催化再生，并将其与酶催化反应偶联，用于高价值手性化学品的合成。相关成果以“Built-in Electric Field in Multivariate COFs Boosts Photocatalytic NADH Regeneration for Enzymatic Reduction”为题在Journal of the American Chemical Society上发表。

自然光合作用的核心在于其高效的电荷分离机制。受此启发，人工光合成被认为是实现可持续发展的理想路径。然而，人工光催化剂产生的光生电子和空穴极易复合，导致能量转换效率低下，成为制约该领域发展的瓶颈。NADH作为生物体内氧化还原酶必需的辅酶，在药物合成等领域扮演“能量载体”的角色。如何高效原位再生NADH用于后续的酶促反应，是实现太阳能驱动高值化学品合成的关键。

针对这一挑战，研究团队提出巧妙的设计思路：通过在COF骨架中引入两种不同的电子受体，构建了具有不对称结构的多元COF。这种不对称的分子结构导致框架内电荷分布高度极化，形成了强大的“内置电场”。该电场能够驱动光生电子和空穴向相反方向快速迁移，有效抑制其复合，大幅提升电荷分离效率。在极少量的铑配合物（含量仅0.06 wt%）锚定的条件下，光催化NADH再生速率高达763.5 mol·mol_Rh^-1·h^-1，选择性达95.7%，远超已有报道。研究还发现，过高的铑负载会阻塞COF孔道，阻碍大尺寸反应物扩散，而极低负载量则保证了孔道畅通，使传质与电子传递达到最佳匹配。该团队成功将这一高效光催化系统与两种氧化还原酶耦合，构建的光-酶级联催化体系实现了L-谷氨酸和(S)-2-苯基丙醇的连续生产，分别达到了80和71的NADH再生周转数，这些数值显著高于先前报道。

该研究不仅通过不对称结构设计解决了电荷分离难题，还揭示了传质过程的关键作用，实现了从电子到分子的全链条优化。该工作为设计高效、低成本的辅酶再生体系提供了新范式，有望推动太阳能驱动生物催化技术在医药合成等领域的实际应用。

我院2024级博士研究生左振杨为第一作者，浙江师范大学为第一单位。该研究得到了国家自然科学基金、浙江省创新团队等经费支持。论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.6c02157