在生命系统中，分子机器“核糖体”引导氨基酸有序连接产生多肽和蛋白质。其中酰胺键是最基本的化学键，并且广泛存在于药物和生物活性化合物中。根据化学进化理论发展起来的无生源论是一个被广泛接受的理解生命起源的概念，它阐述了生物的三个发展阶段：生物单体、生物聚合物和从分子到细胞的进化。其中最有趣的是从无机原料开始形成氨基酸和酰胺键。经典的 Miller-Urey 实验和后来实验室的实验表明，在与早期地球相似的条件下，大量的氨基酸可以从无机化合物中进化而来。近些年对来自深海海底的样品检测更直接证明了芳香氨基酸的非生物方式形成。许多假设援引了海底热泉的作用，即需要热和水。然而，生物分子合成过程中是否必须有大气或水的条件尚未有定论。人们自然会提出这样的问题：是否可能在没有空气和水的环境中形成酰胺键？
表面在位化学（或表面在位合成）是近些年发展起来的一种自下而上的合成大分子或功能聚合物的方法。通常在超高真空条件下和金属表面上进行。金属表面提供二维支撑和二维（或一维）限域，且可催化或引导化学反应。十几年来，人们用表面在位化学反应制备了丰富的低维功能纳米结构。然而，金属表面催化羧-氨直接脱水缩合反应形成酰胺键尚未见报道。
近日，苏州大学迟力峰教授和德国慕尼黑工业大学Johannes Barth教授合作，基于多种前沿表面分析技术，利用表面在位化学的方法，探索了超高真空条件下金表面羧-氨直接偶联形成酰胺键的化学过程，并揭示了酰胺键形成过程中的竞争性脱羧反应。
在对单组份反应物表面吸附行为和活性研究基础上，作者对羧基和氨基组分表面共沉积和热退火激发后的产物进行原位扫描隧道显微镜研究。对比高分辨实验观测和密度泛函理论模拟计算结果，发现多种寡聚物的结构与酰胺产物相吻合。
辅以原位针尖操纵技术，证明产物结构中形成了区别于分子间作用力的共价化学键连接。而且单组份对比实验发现了金表面催化的脱羧反应，为后面推理表面酰胺键反应机理提供了依据。
然后，作者利用多次累积制备的方法，获得了高覆盖度表面产物样品，用以进行X射线光电子能谱学的化学分析。通过反应前后的光电子能谱峰位移和计算模拟结果对比，证实了酰胺键的形成。
最后，通过设计对比试验与模拟计算，作者排除了多种其它可能，提出金原子辅助的三步法反应途径，即羧基脱羟基-羟基诱导氨基脱氢-余下基团的碳氮偶联。整个过程的计算能垒与实际反应温度相吻合，同时也反映出羧基-羰基转化这一限速步对酰胺键合成产率的影响。
该研究工作借助前沿表面在位化学技术，证实了生物大分子原则上可以在无水无氧的环境中以非生物方式形成。有趣的一点是，该体系只在金表面可以形成酰胺键，在银和铜表面由于羧基的脱氢和脱羧反应势垒较低，优先转化为其他产物，从而无法进一步与氨基偶联形成酰胺键。
该研究成果以题为“Abiotic Formation of an Amide Bond via Surface-Supported Direct Carboxyl-Amine Coupling”的论文发表在《德国应用化学》杂志上。迟力峰教授课题组博士生杨标（已毕业，德国洪堡博后奖学金获得者）和牛凯丰为论文共同一作。杨标博士、Johannes Barth教授和迟力峰教授为论文共同通讯作者。
论文信息：
Abiotic Formation of an Amide Bond via Surface-Supported Direct Carboxyl-Amine Coupling，Angewandte Chemie International Edition，DOI: 10.1002/anie.202113590
来源：高分子科学前沿
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