氧气 (O2) 的出现对地球生命的诞生、繁衍和进化至关重要。自然界中，绿色植物和蓝细菌等藻类进行光合作用时把水分解释放出氧气。然而这个过程，即O-O键形成机理，一直是自然界几十亿年保守的秘密。历史上有8次有关天然光合作用的相关研究获得了诺贝尔奖，但人类目前仍没有彻底了解地球上这个最重要的化学反应是如何进行的。
近期，西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心孙立成实验室在探索这一未解之谜的过程中取得进展。他们利用量子化学计算模型，提出自然界氧气形成的新机制。研究成果以《天然光合作用中氧气形成的新机制：亲核氧-氧偶联》为题发表在《美国化学会志》(J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 4129-4141)上，西湖大学为第一通讯单位，孙立成教授为通讯作者，助理研究员郭宇为第一作者，该工作与瑞典学者合作完成。该研究工作得到了科技部重点研发专项和西湖大学专项经费的资助，并得到了西湖大学高性能计算中心的支持。
西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心
西湖大学高性能计算中心HPC Center在这里完成了本项研究工作的所有计算
大自然充满了生态循环，地球上最重要的化学反应“光合作用”同样如此。它包含两大关键的循环：光驱动水分解释放出氧气的Kok循环(S态循环)，和辅酶驱动的二氧化碳还原形成碳水化合物的Calvin循环。前者提供了大部分生命所必需的氧气，后者把太阳能以糖的形式进行储存。
孙立成团队的研究，涉及到的就是光反应阶段水分解的核心催化剂：锰簇 (图1, 左)。它由锰钙氧Mn4CaOx (x代表了氧原子的数量变化) 构成，形状看上去像一把扭曲的椅子，但正是这种扭曲的结构，可能预示着它的结构不稳定性，容易和水发生作用。神奇的是，锰簇催化剂需要经历大致5个状态 (即S0, S1, S2, S3, S4态，“0-4”代表氧化态从低到高)的变化，才能最终创造出氧气。这就如同大自然设置了一套非常严格的密码装置，有条不紊地实现其功能。锰簇催化剂在S4态释放出氧气后，再回到S0态即密码装置恢复原位，整个过程称为“S态循环”，实现水的催化氧化(图1, 右)。
图1. (左)天然光合作用水氧化中心的放氧催化剂, 锰簇;(右) 锰簇催化剂的S态循环
去年中期孙立成团队曾预测，藻类光合作用的锰簇催化剂在S3态到S4态过渡时，也就是在S3YZ●态 (YZ●代表酪氨酸自由基) 存在一可逆异构化过程(J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 11736-11747)。这相当于揭开了“终极奥秘”S4态之前的一层面纱，它和S4态在时间上紧密衔接，可能构成了O2形成的决速步骤，也对O-O键形成的机理产生重要影响。而这一次，孙立成团队的研究挺向高等植物光合作用的S4态。
长久以来，由于实验手段无法直接获取S4态的任何信息，O-O键的形成机制成为了最为关键但未能破解的科学议题。目前主流的理论假设是“自由基耦合(RC)”机制，其活性形式为四价锰-氧自由基Mn(IV)-O●。这个学说得到了蓝细菌X射线自由电子激光实验的支持，因其观测到S3态新增一个含氧配体Ox (图2，上)。
图2. (上) 藻类锰簇催化剂S3态结构及S4态RC氧气形成机制;(下)高等植物锰簇催化剂S3态结构及S4态可能的氧气形成机制
前不久，来自希腊和德国的研究团队通过电子顺磁共振(EPR)，确认了具有不饱和配位(unbound)的Mn4(IV)、闭立方结构(B)的高自旋S=6的S3态(S3B,unbound)(图2，下)作为高等植物锰簇催化剂S3态的主要形式(约占80%)，这与XFEL解析的蓝细菌锰簇催化剂的S3态结构形成了鲜明对比。这个发现引起了孙立成团队的密切关注。这样一来，S3B,unbound进入S4态(S4B,unbound)将产生五配位结构的五价锰-氧Mn(V)=oxo (非自由基) 活性物种，它明显不同于传统RC机制的活性形式Mn(IV)-O●。也就是说，高等植物可能包含一种前所未知的且不同于RC的氧气形成机制。
本研究工作以S4B,unbound为出发点，采用密度泛函理论(DFT)系统地研究了所有可能的O-O键形成路径，最终确定了五价锰Mn(V)=oxo 和μ3-oxo 之间的亲核氧-氧偶联(NOOC)是唯一的可行机制。锰簇的特殊构象、优选自旋态和水的结合共同促进了反应的进行。孙立成团队绘制了从S4态历经过氧化物、超氧化物至O2释放和第二个水结合生成S0态的过程 (图3)，在热力学和动力学上均与现有的实验数据相吻合。
图3. 六重态（优选自旋态之一）势能面上基于NOOC形成O2的新机制
此项研究从理论上证实，人工合成的水氧化催化剂的常见活性形式Mn(V)=oxo在天然光合体系的有效性，揭示了另一种天然光合作用(尤其对于高等植物)氧气的形成机制，成为传统RC机制的重要补充。鉴于此，研究团队提出了氧气形成的“双通道”假设，这可能反映出锰簇催化水氧化的高效性和自我调控能力。关于氧气释放后，水如何插入锰簇空腔形成下一个循环的S0态，尚在研究阶段 (图4)。
图4. 高等植物氧气形成机制的双通道假设和转化为S0态可能的水插入路径