镍模型系统揭示乙酰辅酶A合成酶(ACS)的催化机制：CO2 /CO固定新策略

为解决乙酰辅酶A合成酶(ACS)催化机制中关键中间体Ni(CH3 )(CO)的缺失与反应路径争议，美国伊利诺伊大学研究团队通过三异丙基三氮杂环壬烷('Pr3 tacn)镍模型系统，首次分离出NiII (CH3 )(CO)中间体，证实CO与甲基随机结合顺序，揭示第二CO分子促进迁移插入及单电子氧化驱动硫酯形成的机制，为开发温和条件下CO2 固定技术提供新思路。

　　

在全球碳循环失衡的背景下，微生物利用镍酶乙酰辅酶A合成酶(ACS)将CO₂
/CO转化为细胞能量的能力备受关注。这种古老酶与工业醋酸合成过程类似，却能在温和条件下运作，但其催化机制存在四大悬而未决的问题：关键中间体Ni(CH₃
)(CO)从未被观测到；镍中心氧化态变化存在争议；甲基与CO结合顺序不明；第二个CO分子的作用机理未解。这些认知空白严重阻碍了人工模拟ACS开发新型碳固定技术。

美国伊利诺伊大学香槟分校Liviu M. Mirica团队在《Nature Communications》发表研究，通过设计三异丙基三氮杂环壬烷('Pr₃
tacn)配位的镍模型系统，首次实现ACS全催化循环的化学模拟。研究采用单晶X射线衍射、变温紫外光谱、同位素标记、EPR波谱和DFT计算等方法，以甲基钴胺素类似物为甲基供体，系统探究了甲基转移、CO迁移插入和硫酯化等关键步骤。

合成ACS甲基化状态模型
研究人员从Ni^II
前体出发，通过甲基铝试剂或甲基钴肟/钴茂还原体系，成功制备四配位高自旋Ni^II
(CH₃
)复合物(3)，其Ni^II
/Ni^I
氧化还原电位(-0.56 V vs NHE)与ACS活性中心(A_ox
/A_red
)高度匹配。在-78°C下捕获到罕见的五配位Ni^II
(CH₃
)(CO)中间体(4)，晶体结构显示CO与甲基共平面排列，Ni-CH₃
键长保持1.992 ?。

CO迁移插入机制解析
动力学研究发现CO插入遵循二级动力学，活化熵ΔS^?
=-38 cal/mol·K支持缔合机制。同位素交换实验证实该过程可逆，且需第二个CO分子配位形成瞬态[LNi^II
(CH₃
)(CO)₂
]⁺
物种推动插入，平衡常数达10⁵
atm^-2
。所得Ni^II
(COCH₃
)(CO)复合物(5)呈现扭曲四方锥构型，模拟了ACS中乙酰基转移态。

Ni^I
(CO)态的功能验证
通过钴茂还原Ni^II
前体获得的Ni^I
中间体(2)，在CO氛围下生成EPR活性物种[('Pr₃
tacn)Ni^I
(CO)(NCMe)]⁺
(6)，其g_⊥
=2.183、g_∥
=2.015及¹³
C超精细耦合(14 G)证实CO配位。该物种可直接被甲基钴肟甲基化生成4，证明ACS中甲基与CO可随机结合。

硫酯化反应的氧化驱动
将Ni^II
(CH₃
)(SPh)(7)与CO反应获得Ni^II
(COCH₃
)(SPh)(8)，其硫苯基硫乙酸酯产率达77%。关键发现是：NO⁺
氧化使Ni^II
(乙酰基)(硫醇盐)还原消除速率提升1800倍，交叉实验证实该过程通过Ni^III
中间体协同完成，模拟了ACS中铁氧还蛋白介导的电子传递。

这项研究首次通过合成模型再现ACS全催化循环，揭示第二CO分子配位是迁移插入的驱动力，阐明氧化还原开关调控硫酯形成的机制。不仅为理解Wood-Ljungdahl途径提供分子基础，更为设计仿生碳固定催化剂开辟新途径。特别值得注意的是，模型系统中甲基与CO的随机结合顺序、可逆的CO迁移插入等特征，与ACS酶动力学数据高度一致，为解析这种古老金属酶的进化智慧提供了化学蓝图。