氧氣 (O2) 的出現對地球生命的誕生、繁衍和進化至關重要。自然界中，綠色植物和藍細菌等藻類進行光合作用時把水分解釋放出氧氣。然而這個過程，即O-O鍵形成機理，一直是自然界幾十億年保守的秘密。歷史上有8次有關天然光合作用的相關研究獲得了諾貝爾獎，但人類目前仍沒有徹底了解地球上這個最重要的化學反應是如何進行的。
近期，西湖大學人工光合作用與太陽能燃料中心孫立成實驗室在探索這一未解之謎的過程中取得進展。他們利用量子化學計算模型，提出自然界氧氣形成的新機制。研究成果以《天然光合作用中氧氣形成的新機制：親核氧-氧偶聯》為題發表在《美國化學會志》(J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 4129-4141)上，西湖大學為第一通訊單位，孫立成教授為通訊作者，助理研究員郭宇為第一作者，該工作與瑞典學者合作完成。該研究工作得到了科技部重點研發專項和西湖大學專項經費的資助，并得到了西湖大學高性能計算中心的支持。
西湖大學人工光合作用與太陽能燃料中心
西湖大學高性能計算中心HPC Center在這里完成了本項研究工作的所有計算
大自然充滿了生態循環，地球上最重要的化學反應“光合作用”同樣如此。它包含兩大關鍵的循環：光驅動水分解釋放出氧氣的Kok循環(S態循環)，和輔酶驅動的二氧化碳還原形成碳水化合物的Calvin循環。前者提供了大部分生命所必需的氧氣，后者把太陽能以糖的形式進行儲存。
孫立成團隊的研究，涉及到的就是光反應階段水分解的核心催化劑：錳簇 (圖1, 左)。它由錳鈣氧Mn4CaOx (x代表了氧原子的數量變化) 構成，形狀看上去像一把扭曲的椅子，但正是這種扭曲的結構，可能預示著它的結構不穩定性，容易和水發生作用。神奇的是，錳簇催化劑需要經歷大致5個狀態 (即S0, S1, S2, S3, S4態，“0-4”代表氧化態從低到高)的變化，才能最終創造出氧氣。這就如同大自然設置了一套非常嚴格的密碼裝置，有條不紊地實現其功能。錳簇催化劑在S4態釋放出氧氣后，再回到S0態即密碼裝置恢復原位，整個過程稱為“S態循環”，實現水的催化氧化(圖1, 右)。
圖1. (左)天然光合作用水氧化中心的放氧催化劑, 錳簇;(右) 錳簇催化劑的S態循環
去年中期孫立成團隊曾預測，藻類光合作用的錳簇催化劑在S3態到S4態過渡時，也就是在S3YZ●態 (YZ●代表酪氨酸自由基) 存在一可逆異構化過程(J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 11736-11747)。這相當于揭開了“終極奧秘”S4態之前的一層面紗，它和S4態在時間上緊密銜接，可能構成了O2形成的決速步驟，也對O-O鍵形成的機理產生重要影響。而這一次，孫立成團隊的研究挺向高等植物光合作用的S4態。
長久以來，由于實驗手段無法直接獲取S4態的任何信息，O-O鍵的形成機制成為了最為關鍵但未能破解的科學議題。目前主流的理論假設是“自由基耦合(RC)”機制，其活性形式為四價錳-氧自由基Mn(IV)-O●。這個學說得到了藍細菌X射線自由電子激光實驗的支持，因其觀測到S3態新增一個含氧配體Ox (圖2，上)。
圖2. (上) 藻類錳簇催化劑S3態結構及S4態RC氧氣形成機制;(下)高等植物錳簇催化劑S3態結構及S4態可能的氧氣形成機制
前不久，來自希臘和德國的研究團隊通過電子順磁共振(EPR)，確認了具有不飽和配位(unbound)的Mn4(IV)、閉立方結構(B)的高自旋S=6的S3態(S3B,unbound)(圖2，下)作為高等植物錳簇催化劑S3態的主要形式(約占80%)，這與XFEL解析的藍細菌錳簇催化劑的S3態結構形成了鮮明對比。這個發現引起了孫立成團隊的密切關注。這樣一來，S3B,unbound進入S4態(S4B,unbound)將產生五配位結構的五價錳-氧Mn(V)=oxo (非自由基) 活性物種，它明顯不同于傳統RC機制的活性形式Mn(IV)-O●。也就是說，高等植物可能包含一種前所未知的且不同于RC的氧氣形成機制。
本研究工作以S4B,unbound為出發點，采用密度泛函理論(DFT)系統地研究了所有可能的O-O鍵形成路徑，最終確定了五價錳Mn(V)=oxo 和μ3-oxo 之間的親核氧-氧偶聯(NOOC)是唯一的可行機制。錳簇的特殊構象、優選自旋態和水的結合共同促進了反應的進行。孫立成團隊繪制了從S4態歷經過氧化物、超氧化物至O2釋放和第二個水結合生成S0態的過程 (圖3)，在熱力學和動力學上均與現有的實驗數據相吻合。
圖3. 六重態（優選自旋態之一）勢能面上基于NOOC形成O2的新機制
此項研究從理論上證實，人工合成的水氧化催化劑的常見活性形式Mn(V)=oxo在天然光合體系的有效性，揭示了另一種天然光合作用(尤其對于高等植物)氧氣的形成機制，成為傳統RC機制的重要補充。鑒于此，研究團隊提出了氧氣形成的“雙通道”假設，這可能反映出錳簇催化水氧化的高效性和自我調控能力。關于氧氣釋放后，水如何插入錳簇空腔形成下一個循環的S0態，尚在研究階段 (圖4)。
圖4. 高等植物氧氣形成機制的雙通道假設和轉化為S0態可能的水插入路徑