▲ 第一作者：Matthijs ter Harmsel
通讯作者：Wilhelm T. S. Huck，Syuzanna R. Harutyunyan
通讯单位：荷兰拉德堡德大学，荷兰格罗宁根大学
DOI：
10.1038/s41586-023-06310-2
01
研究背景
振荡系统控制许多生物过程，包括新陈代谢和细胞分裂等关键细胞功能，以及昼夜节律和心跳等更大规模的过程。非生物化学振荡最初是在无机系统中发现的，它启发了人们开发各种合成振荡器，将其用作分析化学、材料化学和生物医学领域的自主计时系统。让合成化学振荡器周期性地驱动次要功能可将其作用扩展到人工起搏器之外，并且使其成为功能更为强大的工具。然而，这并非易事，因为振荡器的组件在次级功能中的参与可能会损害其计时能力。
02
研究问题
本研究报告了一种小分子振荡器，它可以在原位催化独立的化学反应，而不会损害其振荡特性。在流动系统中，振荡器催化活性产物的浓度呈现持续振荡，催化反应仅在浓度峰值时加速。具有周期性催化作用的合成振荡器的增强，可以构建复杂的系统，未来可用于自动合成、系统和聚合化学以及周期性药物递送的应用。
图1|有机催化振荡器的设计
要点：
1.本研究的系统设计遵循了化学振荡器的既定原理：正反馈环路的组合导致生长和衰减阶段的交替，从而产生振荡。本研究选择以自催化 Fmoc 脱保护为基础建立系统（图 1）。Fmoc 是一种碱易变保护基团，可用于保护胺。本研究选择哌啶 (1) 作为胺，因为它： (1) 是一种常用的有机催化剂；(2) 具有足够的碱性来催化 Fmoc 基团的脱保护作用。这使得 Fmoc-哌啶（2）的脱保护作用具有自催化性，从而提供了正反馈回路。负反馈回路通过一快一慢两个抑制反应实现，这两个反应阻止哌啶作为碱发生反应，从而抵消了自催化途径。为此，可使用乙酸苯酯进行乙酰化反应，将哌啶转化为酰胺。通过改变苯环上的取代基，可以很容易地调整乙酰化的速率。
2.本研究选择对硝基苯乙酸酯（3）作为快速抑制剂，它可以抑制自催化反应，产生一个滞后期，直到它被消耗掉，1 的自催化生长才会被接替。乙酸苯酯（PhOAc，4）作为慢速抑制剂，可在自催化反应结束后将哌啶的浓度恢复到初始状态。最后，用 1 以外的碱对 2 进行脱保护作为触发反应，以较低的速率持续产生自催化剂，从而启动自催化反应。这种脱保护反应必须与抑制反应正交，因此本研究选择了最简单的哌啶三级类似物 N-甲基哌啶 (5) 作为触发试剂。
图2|单脉冲实验以及实验数据与模型数据的比较
要点：
1.首先，本研究分析了提出的设计是否能批量产生脉冲——一个指数增长的单周期，然后衰减回基线。经过初步优化，本研究得出了以下条件：在 DMSO-d6 中加入 100 mM Fmoc-哌啶（2）、5 mM 对硝基苯乙酸酯（3）、1 M PhOAc（4）和 5 mM N-甲基哌啶（5）（图 2a）。Fmoc 脱保护是一个两步过程，首先是 2 的去质子化，形成二苯并富烯（6，DBF）和氨基甲酸，然后后者脱羧形成 1。在大气条件下，氨基甲酸会在二甲基亚砜中持续存在，但在高温（60 ℃）条件下，脱羧反应会迅速发生。以 1,3,5-三甲氧基苯为内标，本研究使用原位红外光谱和 1H-NMR 光谱对浓度进行监测（图 2b）。
2.获得脉冲后，本研究通过实验确定了所有相关反应的速率规律，并根据常微分方程建立了系统模型。在图 2c 中，本研究将测得的各组分浓度与模型预测值进行了比较，结果表明模型很好地反映了数据。在失衡条件下，可以将单个脉冲转化为一系列振荡。这可以通过使用连续搅拌罐反应器（CSTR）使系统处于流动状态来实现，在该反应器中不断加入新的起始材料（2-5），并不断移除反应混合物。这种振荡可以是持续振荡（即振幅保持不变），也可以是阻尼振荡——振幅随着时间的推移而减小，直至达到稳定状态。
图3|使用 CSTR 在流体失衡条件下的持续振荡
要点：
1.本研究对脉冲系统模型进行了调整，以评估各种实验条件的影响，预测哪些初始浓度组合会在连续流条件下产生持续振荡（图 3a,b）。本研究使用空间速度（sv）作为参数来描述反应物流入和反应混合物流出的速度。
2.本研究在预测的持续振荡体系中心条件下开始了流动振荡实验：[2] = 0.1 M 和 [4] = 1.8 M。在 CSTR 中，浓度通过原位红外光谱进行监测；由于无法确定绝对浓度，因此报告了归一化吸光度。正如预测的那样，该系统在 20 小时内产生了 Fmoc-哌啶浓度的持续振荡，周期为 2.4 ± 0.1 小时，振幅为 0.29 ± 0.02。在 6 和 7 的浓度中也观察到了反相振荡（图 3c）。值得注意的是，振荡在第一个峰值出现后立即变得持续，这表明振荡行为是稳健的，能够不受初始条件的影响。
3.为了研究系统核心成分浓度的影响，本研究选择改变[2]和[4]（图 3b），因为它们分别影响正反馈环路和负反馈环路的强度。将[2]从 100降至 80 nM会导致周期延长至 4.3±0.1 小时（图 3d），这与预期的行为相符：触发反应较慢会推迟自催化阶段的开始。
4.将[2]提高到 120 mM后，振荡减弱（图 3e）。将[4]的浓度从 1.8 mM降至 1.4 mM对振荡只有轻微影响（图 3f），但将浓度进一步降至 1.0 mM（图 3g）后，一个脉冲后就进入了稳定状态。将[4]浓度提高到 2.2 M（图 3h）后，振荡周期（3.6 ± 0.2 h）和振幅（0.38 ± 0.02）都显著增加，这与模型预测的[4]浓度变化后振荡周期不变的情况相反（图 3b）。这种不匹配表明该模型没有精确捕捉到所有效应，例如溶剂极性对反应速率的影响。
图4|由同一 CSTR 中的有机振荡器控制的 Knoevenagel 冷凝
要点：
1.为了探究催化振荡器的稳定性，本研究进行了与无耦合催化相同浓度组合的实验（图 4b）。除了在使用较低浓度的慢速抑制剂 4 的实验中振荡被抑制而不是持续外，其他实验的表现都是相似的。因此，进行催化反应并不会显著改变振荡器的特性，只是稍微收缩了振荡机制。
2.本研究还关注了快速抑制剂 3 的影响，发现将其浓度降低到 0.025 M 会导致振荡减弱；然而，将其浓度提高到 0.035 M 会产生持续振荡，周期增加到 3.1 ± 0.1 h。为研究温度的依赖性而进行的进一步实验表明，将温度升高到 70℃会导致振荡减弱（图 4h），但将温度降低到 50℃则会产生持续振荡，且振荡周期明显延长（图 4i）。
3.最后，本研究进行了一项实验，在两个脉冲之后对系统进行扰动，将温度从 60℃ 升至 70℃ 持续 30 分钟（图 4j）。这使得指数阶段提前出现，从而缩短了振荡周期。然而，一旦扰动结束，振荡很快又恢复到正常周期（2.4 ± 0.2 小时），这表明本研究的催化振荡器对短期温度变化有很强的抵抗力。
图5|振荡增强的选择性
要点：
1.为了探索这种增强化学选择性的概念，本研究对醛 8 和对羟基苯甲醛 (15) 与 9 的缩合反应（图 5）进行了竞争实验。首先，本研究证实了在批处理条件下使用单脉冲可以获得选择性，而不使用单脉冲则无法获得选择性。在单脉冲条件下，8 被完全转化，而 15 只达到 10%的转化率，然后保持不变，因为催化剂浓度的下降使反应停止。在没有脉冲的情况下，8 完全转化，之后 15 继续反应，60 分钟后转化率达到 50%。随后，本研究用振荡器进行了竞争实验（图 5a）。8 的平均转化率为 56%，峰值为 97%，而 15 到 16 的转化率可以忽略不计，平均低于 1%。
2.为了与非振荡情况进行无偏比较，本研究通过实验确定了 1 在振荡期间的峰值浓度为 22 ± 1 mM。然后，本研究通过移除慢速抑制剂 4 并将稳态 [1] 调至与 1 的峰值浓度相同，即 22 mM，然后进行了无振荡对照实验（图 5b）。在没有振荡的情况下，8 几乎达到完全转化，而 15 在转化率为 18% 时达到稳定状态。因此，振荡将平均选择性提高了一个数量级。
03
结语
催化振荡器可被视为在 “开”和 “关”状态之间自主切换的催化剂，而已报道的用于制造具有精确控制序列的共聚物的可切换催化剂实例则需要外部刺激才能在活性和非活性状态之间或在生产两种不同产物之间切换。因此，将催化振荡器与聚合物合成耦合是另一个有趣的应用，通过调整振荡器的特性，有可能调节聚合物的组成。周期催化还可用于以时间控制的方式驱动分子机器，当催化剂存在时，分子机器执行某种功能；当催化剂不存在时，分子机器自动进行重置。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06310-2
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