著名物理学家 Richard Feynman（1965年诺贝尔物理学奖获得者）曾经说过"What I cannot create, I do not understand.”(我不能理解我不能创造的东西)。对于生物无机化学的重要内容—金属酶模拟，利用简单的合成模型分子重构金属活性部位，“自下而上”地重现天然金属酶的功能，是理解和揭示金属酶的构-效关系的重要手段，为金属酶研究提供重要理论和实验依据。按照该研究范式，我们课题组开展针对天然镍叶绿素的研究工作，首次提出它在光合作用系统中可能扮演的电子传递/催化的重要角色，为理解这一自然界罕见的金属辅酶提供了重要线索，同时也为设计非贵金属能源催化剂提供了新视角。镍叶绿素（Tunichlorin）首次由美国Rinehart教授于1989年从加勒比海的被囊生物Trididemnum soidum中分离并确认结构。如图1所示，镍叶绿素是一种以金属镍为中心的二氢卟吩辅酶，以焦脱镁叶绿酸作为配体，卟啉环的β位具有一个不常见的羟甲基取代基，是一类罕见的叶绿素类金属辅酶。迄今为止，自然界中含镍离子的四吡咯辅酶有两类。一类是辅酶F430, 是以镍为中心的corphin结构，已被证实是一类催化甲烷转化的金属辅酶，其结构和在氧化还原过程中的电子传递功能较为明确。另一类为镍叶绿素，但由于其结构不稳定，确切的功能还未知。Rinehart教授等推测，在海鞘的光合作用系统中，氢化酶中镍簇中心分解后,镍离子取代叶绿素中的镁离子生成镍叶绿素，因此镍叶绿素的形成被看作是光合作用系统中镍簇氢化酶中心的代谢方式。“镍叶绿素是否仅仅作为镍离子的“回收站”，还有没有其它的功能？” 针对此问题，我们课题组基于镍卟啉和F430辅酶在氧化还原反应中的研究结果，开展了模拟Tunichlorin结构，探索其独特的叶绿素结构和催化产氢过程中电子传递功能的关系。我们的前期工作研究了叶绿素结构中的吡咯环饱和度对镍离子反应性的影响（Chem. Sci., 8, 5953-5961, 2017；highlighted by Nat. Rev. Chem. 1, 0062, 2017）。我们发现吡咯环还原加氢后，卟吩共轭大环的饱和度增加，环构象柔韧性加大，表现出较强的稳定低价金属的能力。镍二氢卟吩卟啉应用于电催化析氢反应（HER）的活性提高约25倍。另一方面，天然镍叶绿素中不寻常的β-羟基取代基引起了我们的兴趣。在β-位引入羟基或羧基等取代基的四吡咯金属辅基在自然界中广泛存在，其β-位取代基的作用除了稳定饱和双键外，还被认为在催化过程中扮演着组成次级配位环境并进行质子耦合电子转移（PCET），调控反应的作用。因此，我们认为在镍二氢卟吩模型化合物中引入β-羟基将会加深我们对镍叶绿素的构效关系的认识，帮助我们破译镍（II）辅酶的功能。▲图1. Macrocycle structures of natural Tunichlorin and the model complex described in this work.在此，我们利用前期发展的卟吩内酯化学作为分子平台，从二氢卟吩内酯化合物出发，通过还原内酯基团得到具有β-位羟基的异菌绿素型镍配合物。化合物的合成路线如图2所示，由镍卟啉型化合物1为起始，通过其β-位吡咯双键的还原可以得到镍二氢卟吩型化合物2。通过对其β-位吡咯双键的内酯化可以得到镍卟吩内酯型化合物3。将化合物3的内酯键还原氢化可以得到化合物镍二氢卟吩型内半缩醛化合物4。在化合物3的基础上继续β-位还原可以得到镍的二氢卟吩内酯化合物5，将5还原可以得到镍异菌绿素型内半缩醛化合物6。对化合物6进行甲基化可以得到化合物7。化合物4和6的晶体图如图2b和c所示，都表现出相似的折叠的构象，其沿着N-Ni-N轴的扭转角分别为33.5和34.5，Ni-N键的长度分别为1.923 Å和1.925 Å。▲图2. 镍配合物的合成路线（a）及化合物4（b）和化合物6（c）的晶体图。化合物1-5和7在循环伏安图中均表现出两个可逆的还原电位（表1），第一还原电位在-0.99至-1.28V，第二还原电位在-1.59到-1.83V。与其他的镍配合物不同，化合物6在-1.25V处有一个不可逆的还原峰。这个不可逆峰在扫速增加到200 mV s-1后会消失。而将化合物6的羟基甲基化后得到的化合物7，-1.25V处的可逆峰消失。以上现象表明这些不可逆峰是内半缩醛上羟基所导致的。我们计算出各个可逆还原电位电子传递的标准速率常数（ks），如表1所示，化合物1-3和5、7的电子传递速率都在0.02-0.03 cm s-1之间。而含有羟基的化合物4和6的第二还原电位的电子传递速率可以分别达到0.08和0.11 cm s-1。将化合物6的羟基甲基化后，化合物7电子传递速率常数降低为原来的0.03 cm s-1。该现象表明，β-位的羟基化在对电子传递速率的快慢有很大影响。
a. 所有的循环伏安实验均使用三电极系统，扫速为0.1V s-1，以二茂铁作为标准零电位（Fc+/Fc, E1/2 = 0.45 V vs. SHE）。Ni（II）卟啉类配合物的电催化HER活性总结在图3和表2中。使用FOWA方法计算出化合物1-6在催化产氢反应中的反应速率TOF（表2）。我们发现，镍异菌绿素型内半缩醛化合物6表现出最高的反应速率，其数值可达到1.5×104 s-1，与卟啉型化合物1相比，前者的TOF是后者的59倍。该结果表明，β-位羟基和不饱和增加在增加产氢反应的效果中都扮演着重要角色。对比含有羟基的化合物6的TOF与二氢卟吩内酯化合物5，前者是后者的9倍。同样对比含有羟基的化合物4的TOF与卟吩内酯3，前者是后者的11倍。这说明了β-位羟基在析氢反应中的重要作用。有趣的是，在该体系中添加水（100至400 mM），化合物2、4和6的催化电流继续抬升，而对于其他化合物来说，催化反应频率的增加均不明显（< 2倍）。我们将酸的种类变换为三乙胺盐酸盐（pKa = 10.0 in CH3CN）、甲磺酸（pKa= 1.6 in CH3CN）和对甲基苯磺酸（TsOH, pKa= 8.6 in CH3CN），均可以得到看到化合物6的催化电流能够继续上升。并且，在对甲苯磺酸为260mM的反应液中加入浓度为400mM的水，所有化合物的催化电流均有所增加。化合物6的催化电流可以从4.2 mA上升到10.0 mA，TOF从5.5×103达到6.1×104 s-1。对于同样具有羟基基团的化合物4，在该条件下催化反应频率也有5.4倍的增加。同样的，我们对比无水体系和含400 mM水的体系化合物6的催化伏安曲线，可以看到，在含水体系中，催化反应的催化电势一直保持在1.3 V，当酸的浓度达到100 mM时，催化电流能够达到2.7 mA。而在相同酸浓度下，无水体系中的催化电流只有1.5 mA。以上结果表明，β-位羟基基团能够在水的作用下有效增加析氢反应速率。▲图3.（（a）反应速率TOF与三氟乙酸浓度的关系图，（b）反应速率TOF与水的浓度关系图。（c）化合物1-6的催化Tafel曲线。
我们将化合物6担载的泡沫镍作为工作电极，与市售的RuO2组成双电极系统，在如图4a中所示的装置中组成电解池。如图4e中所示，该电解池的过电势为η20 = 540 mV。对于组成电解池的两个半反应来说，产氧反应的过电势η20 = 300 mV，而产氢反应的过电势为η20 = 182 mV。该电解池的过电势比两个半反应的过电势要略高一些，高出的部分主要来自于电解池自身的内阻（iR drop）。由此可以计算出该电流密度下，电能转化为氢能的效率为71.0%，其中由于OER过电势产生的能量损失为17.4%，由HER造成的能量损失为10.4%，剩下的能量损失来自于电池自身内阻0.6%。▲图4. 两电极系统电解池的装置示意图（a）及其实际工作图（b）。（c）0.5mg cm-2催化剂6和催化剂1分别担载在泡沫镍与没有担载催化剂的泡沫镍作为工作电极的极化曲线的比较。（d）催化剂6作为工作电极的恒电流稳定性测试（e）电解池的极化曲线与与该工作条件下电解池的能量效率分析。
如图5a所示，在施加-1.2V (vs. Fc+/Fc)电压的条件下，化合物6得到一个电子变为[6]-，其紫外-可见吸收光谱的Soret band和Q-band强度均有下降，在514，704nm处先后出现新的吸收峰，说明卟啉环上形成了阴离子自由基。在施加-1.5V (vs. Fc+/Fc)电压的条件下，化合物6得到两个电子变为[6]2-，其Soret band继续下降，其中384nm处的吸收峰比360nm处的吸收峰下降更明显；704nm处的吸收峰继续升高，但没有由6变为[6]-时明显。
