阿司匹林（乙酰水楊酸）是一種有百年歷史的解熱、鎮痛抗炎藥。目前，阿司匹林主要通過O-乙酰化反應制備。常用催化劑包括濃硫酸等酸性化合物和吡啶等堿性化合物，它們催化O-乙?；磻璧姆磻獪囟容^高，難以完全轉化并易造成環境污染。生物酶催化劑得益于酶分子通道的限域作用，使其可以實現低能耗、高轉化率、高選擇性、快速反應的化學合成。通過學習酶分子通道的結構，研究人員發展出一系列納米多孔材料作為納米限域催化劑，可以降低反應溫度并提高反應效率。但是目前仍然難以實現接近酶催化劑的反應性能。這是由于反應物分子是通過自由擴散進入納米通道中進行反應的，缺乏足夠的在限域通道中反應的時間。因此，目前該領域存在的關鍵科學問題是：如何調控限域通道與反應物分子尺寸相當，同時提高反應物分子在限域通道中的停留時間？通過解決這兩個科學問題，就有希望實現接近酶催化劑的反應性能。2018年，中國科學院院士江雷提出了“量子限域超流”的概念，并指出將把“量子限域超流”概念引入化學領域，將引發出精準高效的化學合成，即“量子限域超流化學反應”。把這個概念結合到仿生限域膜催化流動化學合成中，將為在溫和條件下實現快速高效的阿司匹林合成提供新的機遇。?

為此，中國科學院理化技術研究所副研究員張錫奇團隊等通過堆疊氧化石墨烯（GO）納米片，在亞納米尺度上構建了具有連續限域層間通道的仿生限域膜催化反應器。通過調控二維限域通道的層間距與反應物分子尺寸相當，同時提高反應物分子在限域通道中的停留時間，實現了在室溫下快速高效的流動化學合成阿司匹林（圖1A）。GO納米片具有羧基（-COOH）可作為乙酰化反應的酸性催化活性位點。研究進一步采用溫和熱處理的方式來調控GO膜納米反應器的層間距和表面電子結構（圖1B，C）。所制備的溫和熱處理GO（TGO）膜具有更小尺寸的限域通道和大量小面積的sp²石墨域表面結構，能夠提升反應物分子前線軌道對稱性匹配程度（圖1D），從而比未處理的GO膜表現出更好的催化性能。當層間距降至8.94 時（圖2A），在23 °C的反應溫度下，阿司匹林的轉化率達到接近100%（圖2B），化學反應時間小于6.36 s。為探究限域流動高效合成阿司匹林的機理，研究人員通過DFT計算表明，TGO中的層間亞納米限域和獨特的表面電子結構產生協同效應，大幅降低化學反應活化能，從而提高了膜反應器的催化活性（圖2C）。這項工作為?在室溫下快速高效合成阿司匹林提供了一條新途徑。

相關研究成果發表在《先進材料》（Advanced Materials）上。這項工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金和中國科學院青年創新促進會等項目的支持。

論文鏈接

圖1?仿生限域膜催化高效流動合成阿司匹林。A.阿司匹林的合成反應；B. TGO膜限域反應器的制備；C.溫和熱處理調控GO表面電子性質；D.反應物分子前線軌道對稱性匹配程度隨TGO膜層間距下降而提升。?

圖2?TGO系列仿生限域膜反應器催化阿司匹林合成性能及反應機理。A.膜限域反應器層間距調控；B.阿司匹林轉化率隨膜層間距的下降而提升；C.理論計算模擬限域反應路徑。?