稀土元素在地壳中的含量并不稀少，其中镧（La）和铈（Ce）的含量甚至与铜、锌接近。虽然储量丰富，但自然界中以稀土金属为活性位点的酶却十分罕见；与之鲜明对比的是，地壳中绝大多数丰产金属在自然界中都有对应的金属酶。稀土金属酶是否存在？2011年，日本科学家Kawai研究发现，在嗜甲（醇）菌（methylotrophic bacterial）中加入稀土元素可以显著提高甲醇脱氢酶（MDH）的活性，表明MDH很可能是一个稀土金属酶。随后，2014年，Op den Camp等人²从火山坑的酸性土壤中分离并确定自然界的第一个稀土金属酶。其结构与钙依赖的MDH极为相似，均以吡咯喹啉醌PQQ作为辅酶，但中心金属由钙换为铈。随后的研究表明这种稀土依赖酶在微生物中的分布十分广泛，且活性比Ca-MDH要高很多。有关稀土金属酶的生物学起源和生物化学机制是当前研究的焦点。以此为蓝本，发展高效的仿生稀土催化体系是值得关注的研究前沿。

图1. 稀土酶结构

 清华大学罗三中课题组近年来一直致力于发展新型的仿生小分子催化剂。基于生物体内铜胺氧化酶的辅酶因子TPQ启发，设计并发展了一类结构简单，合成简洁的小分子邻醌催化剂。该催化剂成功实现了伯胺、仲胺和叔胺三种胺类化合物的有氧氧化反应，具有超越自然界中铜胺氧化酶的催化能力。在前期工作基础上，罗三中团队利用邻醌催化剂实现了稀土酶的仿生醇类氧化反应（Nature Comm., DOI: 10.1038/s41467-022-28102-4）。该有氧氧化体系能够高效地氧化伯醇与仲醇，具有底物范围广，催化效率高和条件温和等优点。其中在催化活性方面表现尤为优异，对于苄醇的氧化速度明显优于目前最快的有氧催化氧化体系—Cu/ABNO体系，同样也远超文献报道中的PQQ模型化合物的氧化活性。

图2. 反应过程中的颜色变化。从左到右1-4分别为：活性反应溶液，La(OTf)₃, 邻醌和TBAI

 该催化体系在反应过程中出现明显的颜色变化（见下图），光谱数据和EPR表征表明原位产生了半醌自由基阴离子。淬灭实验和单电子还原剂的控制实验更进一步确证了半醌自由基阴离子与镧的络合物La(SQ^-.)₂⁺是的催化活性物种。动力学和KIE实验显示在关键的底物氧化步骤中，O-H/C-H协同转移，通过类似质子耦合负氢迁移（PCHT）的过程实现脱氢氧化。目前绝大多数有氧氧化体系遵循分步脱氢的机制。在该催化循环中，半醌自由基阴离子是氧化还原中心，三价镧通过络合作用能显著稳定阴离子自由基，促进其循环再生。

图3. 稀土酶仿生催化循环

 通过还原产生的半醌阴离子自由基作为活性中间体，进而参与有氧氧化反应的策略，不仅为有氧氧化催化提供了一条全新的思路，也为深入理解稀土酶催化和生命体内半醌阴离子自由基的生理功能提供了有益的启示。

参考文献；

1. Zhang, R. & Luo, S. Bio-inspired quinone catalysis. Chin. Chem. Lett. 29, 1193-1200 (2018).

2. For more details, please read our article in Nature Communications: https://www.nature.com/articles/s41467-022-28102-4.