電場的催化活性與電場作用于反應空間的強度和方向有關，對于理解和設計新型靜電催化劑而言，需要從分子級別測試電場的強度和方向。
近日，斯坦福大學Steven G. Boxer、Thomas E. Markland等報道通過二維振動探針分子氘代醛分子的C=O和C-D化學鍵伸縮振動的Stark效應，能夠給出電場的方向。
作者通過光譜表征、分子動力學、電子結構分割等研究方法結合，發現溶劑通過靜電作用通過降低偶極矩較小的化學鍵為代價，穩定化學鍵偶極矩較高的化學鍵。同時，作者發現對于有機醇脫氫酶的活性位點醛抑制劑分子而言，電場的方向與在溶劑中起到的作用效果明顯區別，這種現象直接說明靜電環境在溶劑或者酶催化位點起到相互區別的作用。
由于這項研究的重要性，南加州大學Jahan Dawlaty等對這項研究的意義進行展望和評述。
背景。酶催化劑是否在催化反應過程中提供特別的靜電環境？與溶劑對反應物所處的環境相比，酶催化劑位點如何影響反應物所在的環境？這種問題包括催化、生物化學、機械有機化學、電化學等領域，并且影響研究者發展和設計擬酶催化劑。理解酶催化位點的環境是個非常困難的課題，酶催化位點含有攜帶電荷和偶極矩的氨基酸，而且通過傳統的表征方法無法表征酶催化位點的靜電場。一種能夠研究酶催化位點的靜電電場的方法是使用振動Stark位移光譜表征技術，這種技術能夠通過研究對電場非常敏感的探針分子在酶催化位點導致電場中產生的位移揭示電場效應的影響。
新發展。作者通過表征酶催化位點的電場情況，發現酶催化位點的靜電場與溶劑之間產生明顯區別。在這項工作中，作者通過具有兩種對電場變化敏感的可探測振動光譜，以氘代N雜環己烷甲酰胺（CXF-D），其中C=O、C-D伸縮振動之間的角度呈120°，因此能夠同時表征沿著兩個不同方向的電場。通過對兩個方向的振動表征，作者發現酶催化
位點的靜電場環境與溶劑環境明顯區別，其中溶劑種通過溶質和溶劑之間的相互作用導致電場導致C=O和C-D化學鍵頻率的移動，在酶催化位點靜電場主要由蛋白質的基團產生，導致分子在酶催化位點受到復雜相互作用，在這種環境的蛋白對分子表現非均一的靜電場作用。
意義。這項工作的重要性不僅能夠改善對酶催化反應的深入認識，而且為設計新型高效率擬酶催化劑提供機會和指導，展示了靜電相互作用對分子的影響。
目前人們開始通過調控靜電環境設計分子催化劑，比如通過冠醚控制金屬位點相鄰離子，還發展了使用帶電荷的表面活性劑調節電極附近的靜電環境。這項工作說明，設計不能只從具有較高介電常數的溶劑分子出發設計催化位點的靜電環境，人們需要通過剛性結構和柔性結構進行結合從而構建復合電場環境，從而對特定的反應產生影響。此外，需要考察除了Stark位移之外其他的光譜表征方法。
Pennathur, A., Dawlaty, J. Electric field maps in enzymes. Nat. Chem. 14, 845–846 (2022)
DOI: 10.1038/s41557-022-01010-2
https://www.nature.com/articles/s41557-022-01010-2
Zheng, C., Mao, Y., Kozuch, J. et al. A two-directional vibrational probe reveals different electric field orientations in solution and an enzyme active site. Nat. Chem. 14, 891–897 (2022)
DOI: 10.1038/s41557-022-00937-w
https://www.nature.com/articles/s41557-022-00937-w
