研究探索化學(xué)變化的內(nèi)部運(yùn)作

對(duì)于未經(jīng)訓(xùn)練的人來(lái)說(shuō)，催化幾乎就像煉金術(shù)：通過(guò)引入一種試劑——催化劑——化學(xué)鍵被重塑，將一種物質(zhì)變成其他東西。

催化作用廣泛，從工業(yè)到藥物制造。但它究竟是如何工作的仍然知之甚少。

這就是賓厄姆頓大學(xué)化學(xué)助理教授 Jennifer Hirschi 正在努力解開(kāi)的謎團(tuán)。她最近從國(guó)家普通醫(yī)學(xué)科學(xué)研究所獲得了 193 萬(wàn)美元的最大化研究者研究獎(jiǎng) (MIRA R35)，以研究催化反應(yīng)所涉及的機(jī)制。

“具體來(lái)說(shuō)，我關(guān)心化學(xué)轉(zhuǎn)化中化學(xué)鍵是如何形成和斷裂的。如果我們真的能理解這一點(diǎn)，那么我們就可以學(xué)習(xí)如何開(kāi)發(fā)新的轉(zhuǎn)化和催化劑以及改變化學(xué)選擇性，”她說(shuō)。

Hirschi 于 2020 年通過(guò) SUNY 的促進(jìn)招聘、機(jī)會(huì)、多樣性、包容性和增長(zhǎng) (PRODiG)計(jì)劃加入大學(xué)，該計(jì)劃旨在到 2030 年從代表性不足的群體中聘請(qǐng) 1,000 名教授。這些歷史上代表性不足的群體包括黑人、拉丁裔、美洲原住民、所有領(lǐng)域的阿拉斯加原住民和太平洋島嶼社區(qū)，以及科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)領(lǐng)域的所有種族和民族的女性。

去年，Hirschi 與加州理工學(xué)院的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者化學(xué)工程師 Frances Arnold 發(fā)表了兩篇關(guān)于生物催化的學(xué)術(shù)論文。在博士后研究助理 Sharath Chandra-Mallojjala 的幫助下，MIRA R35 資助將允許她繼續(xù)研究生物催化和光氧化還原催化。

化學(xué)與可持續(xù)性

作為動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)方面的專(zhuān)家，Hirschi 的研究將化學(xué)的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算兩端結(jié)合在一起，以了解催化過(guò)程如何在原子水平上工作以及如何改進(jìn)它。

“在制藥行業(yè)，他們能夠采用常見(jiàn)的原料化學(xué)品并將其轉(zhuǎn)化為高價(jià)值的藥物，”她解釋道。

Hirschi 實(shí)驗(yàn)室的研究特別關(guān)注兩種類(lèi)型的催化：光氧化還原催化，其中化學(xué)變化是通過(guò)使用藍(lán)光激發(fā)的，以及生物催化，這是由工程酶促進(jìn)的。事實(shí)證明，藍(lán)光會(huì)發(fā)出適量的能量來(lái)激活化學(xué)鍵。

兩者都是傳統(tǒng)催化劑的更可持續(xù)替代品，傳統(tǒng)催化劑通常由鈀和鉑等重金屬組成。只有一個(gè)問(wèn)題：沒(méi)有人真正了解這些新型催化劑的工作機(jī)制。

事實(shí)上，基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)背后的機(jī)理仍在積極研究中。兩年前，當(dāng) Hirschi 開(kāi)始研究光氧化還原催化和生物催化背后的機(jī)制時(shí)，它在很大程度上是一個(gè)開(kāi)放的領(lǐng)域。

了解這些反應(yīng)背后的機(jī)制可能使未來(lái)的研究人員能夠更好地塑造化學(xué)，并將其應(yīng)用于藥物開(kāi)發(fā)和工業(yè)。由于它們依賴于光和酶，這些新形式的催化也可能有益于環(huán)境，這是化學(xué)界日益關(guān)注的一個(gè)領(lǐng)域。

“工業(yè)的主要過(guò)程涉及重金屬催化，但重金屬總有一天會(huì)耗盡;我們沒(méi)有無(wú)限量的鈀，”Hirschi 解釋說(shuō)。“我們必須弄清楚如何以其他方式做到這一點(diǎn)。”