采用电场相互作用的模型可以改进催化剂的设计

众所周知，电场通过场-键偶极作用影响催化剂的活性和选择性。电场的长期效应在酶反应中被清楚地观察到。Warshel的研究首次证明了酶不仅仅是优化了的立体活性位，当培养基进入反应过渡状态时，预先安排的酶静电环境会使培养基的电荷分布更加稳定；对水溶液中酶催化反应所需能量的定量研究结果表明，稳定电荷是酶催化中最主要的能量。

劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的研究人员以酶为例子，提出电场可以作为设计多相和均相催化剂的统一表征因子。这些研究人员在《Nature Catalysis》杂志上发表的综述论文阐述了如何利用电场的计算优化来改善几种合成酶的催化性能。他们提出，同样的方法可以用于改进多相催化剂的设计，包括沸石、采用纳米限域分子液体的均相催化剂和超分子胶囊。通过模仿酶的活性点位，窄孔结构中的限域空间可以改变反应分子的反应活性，确保原料在溶液中不发生副反应。利用电场改进催化剂设计的一个重大挑战在于具有预测能力的理论模型所需的复杂计算，预计需要更多的实验数据来描述电场对非酶系统的影响。尽管如此，他们认为通过建模提高认识，可为合理优化多种催化剂开辟新的途径。

该论文的作者推测，虽然沸石的结构与酶有很大的不同，但纳米孔结构与沸石内部的电场之间存在着相同的相互作用。众所周知，沸石的内部电场很大(10～100 mV/cm)。通过施加外部电场来影响内部电场，可以提高选择性和活性。在适当的电场作用下，以前被证明对乙烷脱氢不起作用的负载金属的沸石可能会变得活跃起来。在反应物处于稳定的过渡态时，如何控制电场的方向和大小是一个关键问题。

作为评价这一设计方法的模型系统，对沸石可能限制太多，因为它们有确定的孔径、形状和硅铝比。因此，作者提出超分子系统(胶囊)可能是最好的测试环境。这个概念很有趣。在设计新型催化剂时，很少充分考虑电场情况，这是事实。作者证明，使用理论模型可以提高酶的性能。在其他受限的反应环境中，如何更好地利用模型来设计电场，最终实现催化剂性能优化，还有待观察。