（有机化学专业论文）新型桥连fe氢化酶活性中心模拟物的合成及结构研究.pdf

南开人学顺仁学位论文 摘要 鉴于【f e 】氢化酶的重要实用价值和理论意义，本论文开展了新型桥连【f e 】氢化酶活性中 心模拟物的合成和结构研究，取得了以下创新性成果： 1 本文合成了1 2 个新型桥连【f e 】氢化酶活性中心模拟物，用元素分析、1 h n m r 、 ”pn m r 和l r 对其结构进行了表征并测定了其中6 个代表物的单晶分子结构。 2 首次合成了由d p p f 、d p p r 桥连的氧杂丙撑基与硫杂丙撑基【f e 氢化酶双活性中心 模拟物，并用x 一射线衍射法证实了其中两个化合物的结构。 3 首次合成了由p h 2 p c h 2 ( c h 2 0 c h 2 ) 2 c h 2 p p h 2 桥连的氧杂丙撑基与硫杂丙撑基 f e 】 氢化酶双活性中心模拟物，并用x 一射线衍射法确证了其中一个化合物的结构。 4 首次合成了氧杂丙撑桥【f e 】氢化酶活性中心模拟物“c h 3 s p ) f e 2 ( c 0 6 ) ) 2 ( u s c h 2 0 c h 2 s u ) ；进一步用p h 2 p c h 2 ( c h 2 0 c h 2 ) 2 c h 2 p p h 2 进行桥连得到两个化台物 ( r s ! j ) f e 2 ( c o ) s 2 【( u s c h 2 ) 2 0 p h 2 p ( c h 2 ) 2 0 c h 2 】2 ( r = c h 3 p - c h 3 c 6 h 4 ) ，并用x 一射线衍射法确证 了r = c h 3 的一对异构体的结构。 5 首次合成了由【( p h z p c h 2 ) 2 n c h ：j ：桥连的氧杂丙撑基【f e 】氢化酶双活性中心模拟物 并用x - 射线衍射法确证了其结构：此外，首次合成了由对苯双异腈桥连的硫杂丙 撑基【f e 】氢化酶双活性中心模拟物。 关键词：【f e 】氢化酶，氧杂丙撑基【f e 】氢化酶模拟物，硫杂丙撑基【f e 】氢化酶模拟物 单晶结构 南开人学硕士学位论文 m a ：t h e s i s ，n a n k a iu n i v e r s i t y ，t i a n j i n ，c h i n a s y n t h e t i ca n d s t r u c t u r a ls t u d yo n b r i d g e d m o d e l c o m p o u n d s f o rt h ea c t i v es i t eo f 【f e 】h y d r o g e n a s e s a u t h o rb i a nh o n g - z h u s p e c i a l t yo r g a n o m e t a l l i cc h e m i s t r y s u p e r v i s o rp r o f s o n gl i - c h e n g d a t e m a y , 2 0 0 4 a b s t r a c t c o n s i d e r i n gt h eg r e a ti m p o r t a n c eo fi r o n o n l yh y d r o g e n a s e si nb o t hp r a c t i c a la n d t h e o r e t i c a lf i e l d s s t u d i e so ns y n t h e s e sa n ds t r u c t u r e so fn o v e lb r i d g e dm i m e t i cm o d e lo f t h ee n z y m ea c t i v es i t eh a v eb e e nc a r r i e do u ts y s t e m a t i c a l l y , t h em a i nr e s u l t so b t a i n e d f r o mt h i ss t u d ya r ea sf o l l o w s ： 1 at o t a lo f12n o v e l b r i d g e d m i m e t i cm o d e l c o m p o u n d so f t h e i r o n o n l y h y dr o g e n a s ea c t i v es i t ew e r es u c c e s s f u l l ys y n t h e s i z e d t h es t r u c t u r e sf o ra l lt h e s en e w c o m p o u n d sw e r ef u l l yc h a r a c t e r i z e db ye l e m e n t a la n a l y s i s 3 1pn m r ，1hn m r a n di r s p e c t r o s c e p i e s ，a s w e l la sb y s i n g l e c r y s t a lx r a yd i f f r a c t i o nm e t h o d f o r6r e p r e s e n t a t i v e 3 南开人学颂士学位论文 c o m p l e x e s 2 an o v e lc l a s so fm i m e t i cm o d e l sc o n t a i n i n gd o u b l e 【2 】一o x a p r o p a n e d i t h i o i a t eo r 【2 】。t h i a p r o p a n e d i t h i o i a t e i r o n c a r b o n y l u n i t s b r i d g e db y b i d e n t a t e l i g a n d s d p p f o r d p p r ，w e r ef i r s ts y n t h e s i z e da n dt h es t r u c t ur e so ft w o r e p r e s e n t a t i v ec o m p o u n d sw e r e c o n f i r m e db y x r a yd i f f r a c t i o n 3 an o v e lc l a s so fm i m e t i cm o d e l sc o n t a i n i n gd o u b l e 【2 】一o x a p r o p a n e d i t h i o i a t eo r 【2 卜t h i a p r o p a n e d i t h i o l a t ei r o n c a r b o n y l u n i t s b r i d g e db y b i d e n t a t e l i g a n d s c p h 2 p ( c h 2 ) 2 0 c h 2 】2 。w e r e f i r s t s y n t h e s i z e d a n dt h es t r u c t u r eo fo n e r e p r e s e n t a t i v e c o m p o u n dw a s c o n f i r m e db yx - r a yd i f f r a c t i o n 4 t h en e wm o d e lc o m p l e x ， ( c h 3 s p ) f e 2 ( c 0 6 ) ) 2 ( u - s c h 2 0 c h 2 s - u ) 。w a sf i r s to b t a i n e d t w o c o m p l e x e sf ( r s - p ) f e 2 ( c 0 ) 5 】2 ( u s c h 2 ) 2 0 p h 2 p ( c h 2 ) 2 0 c h 2 】2 ( r = c h 3 ，p - c h 。c e h 4 ) l i n k e db y ( p h 2 p c h 2 c h 2 0 c h 2 ) 2w e r es u c c e s s f u l l ys y n t h e s i z e da n dac o u p l eo fi s o m e r s ( r = c h 3 ) h a v e b e e nc h a r a c t e r i z e db y x r a yd i f f r a c t i o n 5 t h en o v e lm i m e t i cm o d e lc o m p o u n dc o n t a i n i n gd o u b l e 【2 】一o a p r o p a n e d i t h i o i a l e i r o n c a r b o n y l u n i t s b r i d g e db y a q u a d r i d e n t a t el i g a n d ，【( p h 2 p c h 2 ) 2 n c h 2 】2 ，w a s f i r s t s y n t h e s i z e da n di t s s t r u c t u r ew a sc o n f i r m e db yx - r a yd i f f r a c t i o n i n a d d i t i o n ，t h en e w m i m e t i cm o d e l c o n t a i n i n gd o u b l e 2 1 - t h i a p r o p a n e d i t h i o l a t ei r o n c a r b o n y lu n i t sb r i d g e db y 1 ，4 d i i s o c y a n o b e n z e n ew a s f i r s ts y n t h e s i z e d k e y w o r d s ：i r o n o n l yh y d r o g e n a s e 【2 】一o x a p r o p a n e d i t h i o l a t eb r i d g e dm i m e t i cm o d e 【2 卜t h i a p r o p a n e d i t h i o l a t eb r i d g e dm i m e t i cm o d e l ，c r y s t a ls t r u c t u r e s 4 南开大学顺二匕学位论文 新型桥连【f e 】氢化酶活性中心模拟物的合成研究 第一章前言 氢化酶是一种可以催化氢分子氧化为质子及其逆反应( 质子还原为氢气) 的一类蛋白 质m 1 ： h y d r o g e n a s ee n z y m e s 2 e + 2 h o 迄今为止，人们发现表征的绝大多数氢化酶中都含有金属元素n i 署1 f e ，或者只含有f e 。 根据氢化酶的金属元素组成，可以将其分为 n i f e 氢化酶、【f e 氢化酶和不含金属元素的氢 化酶三类刚5 - 6 1 。最近分别测定了两种细菌c l o s 州d j u mp a s t e r i a n u m ( c p i ) 【7 幕1 d e s u l f o v i b r i o d e s u l f u r i c a n s ( d d h ) 【8 1 中的【f e 】氢化酶的晶体结构。4 4 1 1 nf e 氢化酶相比，【f e 】氢化酶是催 化质子生成氢气效率更高的催化剂。在理想条件下，每摩尔d d h 菌每秒能催化生成9 0 0 0 摩 尔的氢气9 】：c p i 菌每秒能催化生成6 0 0 0 摩尔的氢气。 氢气的代谢过程在微生物体内极其普遍，它甚至可以是物质和能量代谢过程的中心环 节1 。人们期望通过氢化酶的化学模拟得到高效而廉价的催化剂以替代现在使用的昂贵 金属铂催化剂。甚至可以通过模拟合成催化剂来大量生产氢气，以取代现在大量使用的不 可再生能源，从而改善日益严重的温室效应等环境污染问题f 1 2 】，还能为解决全球性能源 危机提供一条出路。 一、【f e 】氢化酶活性中心的结构研究 1 9 9 8 年，p e t e r s 等【7 】以1 8 a 的分辨率测得了从c l o s t r i d i u mp a s t e u r i a n u m ( c p l ) 菌中 分离出的氧化态的【f e 】氢化酶的晶体结构，认为c p l 【f e 氢化酶的活性中心是由六个f e 原 予组成的簇合物，称h 簇合物：其包括一个通过三个半胱氨酸残基与蛋白质骨架相连的 4 f e 4 s t 方烷子簇、一个通过半胱氨酸残基硫原子与铁原子相连的【2 f e 2 s 】子簇( 如图1 ) ： 南开人学坝士学位论文 x 卜量 c y s 爹附翻c n 2 c 1 - c o x 卜sc y s ：o i k c e s - - 4 8 4 剐 c n 2 c 1 、c 。 图2 c p lh 。- c o 态活性中心 【2 f e 2 s 子簇中，由两个c o 和两个c n 分别配位两个铁原子，另一个桥羰基连接两 个铁原子【13 】；f e 2 原子在其轴向顶点位置还有一水分子参与配位，两个铁原子间通过一个 双硫桥连接，连接两个硫原子的可能是三个轻原子( 如c ，n o 等) 组成的基团【7 1 4 t 1 5 1 。此外， 对c p lh o x c o 态的晶体结构研究【1 4 , 1 5 】和红外光谱研究【1 3 】可知，h o x c o 态的活性中心结构 如图2 所示。外来的c o ( c o + ) 取代了h 。态中的水分子，与桥羰基处于反式位置。这种结 构形成的原因是有一条疏水性通道直接将酶的表面与f e 2 原子相型7 , 8 , 9 】。 不久，n i c o l e t 等在1 6 a 和1 8 5 a 的分辨率下分别以h o x 【8 l 和h 。d 【1 6 】态的形式得到 d e s u l f o v i b r i od e s u l f u r i c a n s ( d d h ) 菌中 f e 】氢化酶的晶体结构，而且其活性中心h 簇合物 的结构与c p l 【f e 氢化酶十分相似，结构分别如图3 和图4 所示： h n ：s牟y s 懋s m 4 4 8 1 c y s j s 一 4 f e 4 s 】 f o c n 1 c o d ( f e f e ) = 2 5 5 图4d d hh r e d 态活性中一c 在c p lh 。和h o x - c o 态中f e 2 原子分别被h 2 0 和c o 占据的位置，在d d h 【f e 氢化 酶的电子密度图中却显示不出被配体占据的迹象。或者可能被一分子h 2 占据，因为h 2 分 子在电子密度图中不能被辨认【1 2 1 。这种差别被认为是酶所处的氧化还原态不同所致【l z , 1 6 。 在h 。态结构中n i c o l e t 等最初认为双硫桥是1 ，3 - 丙二硫桥( p d t ) 【8 】。后来，通过h 。d 结 6 南开人学坝士学位论文 构的测定和活性中心周围蛋白质环境分析，认为中间亚甲基应该是n h ，此双硫桥应该是 二硫代二甲胺( d t m a ) p 6 ，这与c p l 1 7 锄d d h 【f e 】氢化酶中都有一个接近活性中，心f e 原子的非氰根n 原子的结论以及c p l f e 氢化酶质子转移机理是一致的f 】。如前所述，由 于电子密度并不能区分c 、n 、o 原子因此，d t m a 模型中两个亚甲基不排除可能的其 他形式，n i c o l e t 等认为c p l 和o d h f e 割 j c 酶的活性中心的双硫桥结构可能是一致的f 1 2 】。 图3 所示h o x 态活性中心含有一不对称桥连配体y ，最初n i c o l e t 等认为是h 2 0 分子【8 1 ， 但经过后来的研究结果认为应该是个桥羰基，n i c o l e t 等认为在d d hh o x 8 态的晶体结构 中可能并非完全的氧化态，而是有一部分类似图4 还原态，即部分桥羰基已处于只与f e 2 配位的末端羰基位置，这可能是在d d hh 。电子密度图中不显示双原子配体的原因【1 刚。这 与先前的预测是一致的【1 2 】。另外，还原态傅立叶变换红外光谱( f t i r ) q b 存在1 8 9 4 c m 1 吸 收峰，说明原来的桥羰基以半桥羰基的形式配位于f e 2 原子”6 1 。在图3 和图4 中还可以发 现，由h 。态还原为h 例态后，【2 f e 2 s 子簇中的两个铁原子间距离缩短了0 0 5 a ，可能预 示蓿存在f e f e 金属弯键【1 9 , 2 0 。从两种状态h 。d 和h o x 活性中心的结构中发现，被还原后 h 。态的桥羰基变成了只与f e 2 配位的术端羰基了，这与l r 和f t i r 的结果是一致的 1 6 ，2 1 ；2 2 1 。 一般认为【f e 氢化酶中结构中的【4 f e 4 s 】子簇是起电子传递的作用2 4 2 5 1 ，最近关于d v 【f e 】氢化酶的m 0 s s b a u e r 谱【2 4 j 研究表明，在生成氢气的催化过程中，还原活化首先是 f 4 f e 4 s 子簇由+ 2 价变为+ 1 价，然后再通过将电子等当量地转移给 2 f e 2 s 子簇。而从 k u b a s 等 2 5 】提出的氧化h 2 的机理来看，正好又是这样的一个逆过程。 酶催化h 2 活化的反应被认为是在碱的协助下的一个异裂过程随2 7 2 8 2 创。在活性中心h 簇合物的催化过程中， 4 f e 4 s 】子簇的作用远没有【2 f e 2 s 】子簇重要。 2 f e 2 s 子簇中由 于含有s 、c n 、一n h - - 等碱性基团，所以在催化过程中可以作为质子的给体或受体。 关于 f e 】氢化酶活性中心的催化机理，由于双硫桥结构的不完全确定性以及在化学模 拟中羰基取代的多样性，使得其难以完全确定。例如，d a r e n s b o u r g 等人依据电化学研究 提出了如图5 的机理( 矧。虽然有很多工作发表f 3 乒3 副，但还没有一个被普遍认可的机理，这 方而的二 作还有待进一步研究。 一 塑茎盔兰塑圭兰垡芝奎 图5 【f e 氢化酶可能的催化机理( e c c e ) 二、 【f e 氢化酶活性中心的化学模拟研究进展 【2 f e 2 s 金属簇化合物在七十多年前被r e i h l e n 等人首先发现后【3 。】，1 9 8 0 年前后由 s e y f e m 等人对其进行了开创性的化学研究工作h 。叫，其后s e y f e r t h l 4 5 - 5 0 】和我们研究组f 5 1 , 5 2 进行了大量研究，为蝶状 2 f e 2 s 簇合物化学的发展作出了重要贡献。在 f e 】氢化酶活陛 中心的化学模拟研究方面，目前主要集中在 2 f e 2 s 子簇的基本结构上，在改变 2 f e 2 s 子 簇的双硫桥结构和进行羰基取代两个方面刀：展研究工作。 1 、【f e 氢化酶活性中心的化学模拟前体结构 在对【f e 】氢化酶活性中，& , 2 f e 2 s 子- 簇结构进行化学模拟时，未进行羰基取代前的基本 结构如图6 ： ，。阻 s ，s ( 。c ) 3 f 兰耸e ( c o ) 3 由于晶体解析还不足以分辨出双硫桥中间原子是c 、n 或0 ，所以x 可以是c h z 、n r 、 o 等，目前所发表的相关研究成果大都以c h 2 、n r 为主。 8 南开人学f 埘卜学位论文 模拟合成p d t 模型的一个重要前体【( p d t ) f e 2 ( c 0 ) 6 】( 1 ) 已经按照图7 所示的步骤合 成得蛩j 4 e 4 7 , 5 3 ： f e 3 ( c o ) 1 2 + 洲乒也洲2 8 “p 百h mi a 舻主整州。 e 厶、里 1 一 ， 矿逸州。扩。塞，。叠c h 2 c h 2 b r 图7化合物1 的两种合成路线 在2 0 0 1 年v o l b e d a 等报道了d t m a 模型的几乎同一时间内，r a u c h f u s s 研究组先后 发表了两篇文章报道了一类重要的模拟前体【f e 2 ( 妒s c h 2 n r c h 2 s 一 c o ) 4 及其衍生物的 合成m 5 5 1 。他们按照如下路线( 图8 ) 合成了化合物2 、3 、4 和5 ： ( 1 ) ( c h 2 0 ) n ( 2 ) s o c l 2 洲2 瓦i 五一 ，r rr fnci鬻thfn e t 3 7 8 c ，。f 趟i = e ，。 己l 1 ，一 ( o c ) 3g 二( c o ) 3 r ：c h 2 c h = c h z ( 2 ) r = t - b u ( 3 ) r = 一( ch 2 ) 2 s c h 3( 4 ) 图8化合物2 - 5 的合成 r a u c h f u s s 等发现，在二卤代物与l i 2 f e 2 s 2 ( c o ) 6 】1 5 5 1 反应时加入三乙胺与副产物三 乙基硼形成络合物后使反应效果更佳。 最近r a u c h f u s s 等【5 6 】首次根据s h a r p l e s s 等提出的基于m a n n i c h 反应的以杂原子为 中心的缩合反应原理【5 7 】，以f e 2 ( s h ) 2 ( c 0 ) 6 【s 8 】为原料合成了3 、5 、6 、7 、8 ( 图9 ) 。 南开人学坝l 学位论文 f e 2 ( s h ) 2 ( c o ) 6 a b ，c a ：f c h 2 0 ) n ，r n h 2 t h f b ：f c h 2 ) 3 ( n r ) 3 ，t h f c ：( c h 2 0 ) n ( n h 4 ) 2 c 0 3 t h f ( c h 2 ) n 4 厂r jl 炒垂邮 r = t - b u ( 3 ) ，p h c h 2 ( 6 ) 8 7 9 1 r = m e ( 5 ) 。p h ( 7 ) 8 5 8 9 r = h ( 8 ) 4 0 r = h ( 8 ) 2 4 图9化合物3 、5 - 8 的合成 此外，f e 2 ( s h ) 2 ( c o ) 6 与甲醛水溶液反应得到f e 2 ( s c h 2 0 h ) 2 ( c 0 ) 6 ( 9 ) ；9 室温与叔 丁胺反应得到3 ，与碳酸铵水溶液反应得到产率3 5 的8 ；9 与纯硫酸反应则得到1 0 ( 1 蛩 1 0 所示) 【5 6 1 ： 专 lf ( 。c ) 。f s s f e ( c 。) 。( o c ) 3 f 二f e ( c o ) 3 图1 0 化合物1 0 的结构式 我们组在开展 f e 】氢化酶活性中心化学模拟研究时，分别以x = o 、s 的基本结构作为 主要研究对象，对氧杂丙撑基双硫桥前体结构1 0 我们研究组则采取了以下路线进行合成 ( 图1 1 ) 5 9 】： 廿谢s - - 二s 邮。，嚣c 崖瑟蒜塑些麓邯 雨硫杂丙撑基双硫桥i f e 】氢化酶活性中心前体结构1 1 则是由我们组首次合成出来的 新型前体结构( 图1 2 ) ： l o 南开大学硕士学位论文 炻瑟k 掣b 蚴。l i s x s 喇l i c 若堕气 图1 2 化合物1 1 的合成 1 1 e ( c o ) 3 硫杂双硫桥结构中的硫原子还可以进一步进行衍生化，得到结构更为复杂的新型 f e 氢化酶化合物。 2 、【f e 氢化酶活性中心羰基取代模拟研究 前面已经指出， f e 氢化酶 2 f e 2 s 子簇中与铁原子配位的配体除了羰基还包括 具有供电子性能的氰根以及以硫原子配位的半胱氨酸残基。具有供电子性能的配体( 如氰 根和有机膦等) 通过对羰基的取代可以提高f e 。一f e 键的电子密度，使得f e 一f e 键的 碱度增加6 0 1 ，从而使得f e1 - - f e 。键的质子化更容易进行。 f e 氢化酶的催化机理中很可 能包括f e 的质子化过程，因此进行 f e 氢化酶的羰基取代模拟研究是 f e 氢化酶的化学 模拟极其重要的一个方面。目前，在 f e 氢化酶活性中心 2 f e 2 s 子簇的羰基取代研究中 已经有氰根取代【6 1 , 6 2 , 6 3 、异腈取代 8 3 , 6 4 】、烃硫基取代【5 5 i 6 5 1 、膦取代 3 5 , 6 6 , 6 7 l 等。下面就大致 予以介绍。 由于 f e 氢化酶活性中心含有两个c n ，所以c n 取代物最先成为合成的目标。有三 个研究组独立报导了前体【( p p d t ) f e 2 ( c o ) 6 】的双c n 。取代物的合成随5 6 - 6 甜。前体【( p d t ) f e 2 ( c o ) 4 5 口两当量的e t 4 n c n 在乙腈，甲醇溶液中进行配体置换反应，就得到t ao n 。取 代产物( e t 4 n ) 2 【( p d t ) f e 2 ( c o ) 4 ( c n ) 2 】( 1 2 ) ，12 可能有两种异构体1 8 1 6 2 6 3 1 。 为了迸一步研究和比较1 2 的氧化还原性质，g l o a g u e n 等 8 9 j 在- 4 0 c 条件下用1 与4 当量的p m e 3 和2 当量的e t 4 n c n 反应合成了含有两种不同羰基取代配体的化合物1 3 ，并 且对其进行了x 一射线单晶测定，表明存在如下图1 3 所示两种异构体： 南开人学坝二l 学位论文 刀卜刀卜 o 未c , , , j 徽e - - t k 翼, , c oir 。 在化合物1 3 的催化机理研究中，g l o a g u e n 等通过1 hn m r 的3 1 p 偶合分析认为1 3 的第一步质子化发生在f e f e 键上 6 9 , 7 0 1 。得到1 4 。1 4 进一步用甲基苯磺酸酸化，得到 1 4 h + 。循环伏安催化研究表明存在如下的催化反应过程： l l ，s ，n s ( p m e 。) ( c o ) ：f 星斗e ( c o ) 2 ( c n ) 1 3 门 删嘲圹辩邮俐， 、 h 7 卜 门 + 州嘲圹辩邮删h ， h 7 1 4 一 图1 4化合物1 3 循环伏安催化反应过程 而与1 3 相应的单c n 阴离子【( p p d t ) f e 2 ( c o ) 5 ( c n ) 】- ( 1 5 ) 6 1 , 6 2 , 6 3 1 则没有此种催化活 性。1 5 的钠盐即使在固态并在惰气保护下也不稳定，所以r a u c h f u s s 等进行了图1 5 所示 氧化脱羰反应，并首次得到了1 5 的稳定的四乙基氰化胺盐以及单p h 3 p 取代化合物1 6 6 邻。 2 南刊：人产坝j 。学位睑史 鳓丛吼莩晰丛嘉，。丛。 良堕一 ；、， 一型。 太， ( o c ) 3 f 善全c 。) 3 。沌c n ( o c ) 3 f f e ( c 嘞l ( 。c ) 3 验f e ( c 。) 2 l 一 同时，他们用氧化脱羰的方法进行了单甲基异腈、双甲基异腈取代，分别得到了 ( “一p d t ) f e 2 ( c o ) 5 ( c n m e ) 】( 1 7 ) 、【( 肛- p d t ) f e 2 ( c o ) 4 ( c n m e ) 2 】( 1 8 ) 6 3 1o 尽管大部分供 电子配体对全羰基前体结构只能取代两个羰基，但后来r a u c h f u s s 等进一步发现，对 f e 2 ( s 2 c n h 2 。) ( c o ) 6 ( n = 2 3 ) ，在7 0 c 用过量的c n m e 在乙腈溶液中反应1 7 小时可以得 到四取代产物 f e z ( s 2 c 。h 2 。) ( c o ) 2 ( c n m e ) 4 ( 1 9 ) ：在过量c n m e 存在下用两当量的 c p 2 f e p f s 进一步氧化四取代产物。则可以得到全取代化合物 f e 2 ( s 2 c 。h 2 n ) ( c n m e ) z ( p f 6 ) 2 ( 2 0 ) ( n = 2 ，3 ) ，还有一分子c n m e 桥连了两个f e f e 键1 6 4 】( 图1 6 ) ： 字。警 图1 62 0 的生成 m i c h a e l 等人用 f e 2 ( p - - $ 2 c 3 h 6 ) ( c o ) e g 1 两倍量。b u n c 反应，可以得到二取代化合物 f e 2 ( p - s 2 c 3 h 6 ) ( c nt - b u ) 2 ( c 0 ) 4 ( 2 1 ) i ”】。单晶结构显示两个与铁原子配位的2 ：b u n c $ # 对 于双硫桥为c i s 位置：而在溶液中。n m r 和i r 则显示有多个异构体存在。 g l o a g u e n 等用( m e 3 0 ) b f 4 和1 3 作用，可以得到相当于由c n m e 和p m e 3 进行羰基取代 的化合物f e 2 ( s 2 c 3 h 6 ) ( c n m e ) ( c o 4 ( p m e 3 ) ( 2 2 ) ，面用e t 4 n c n 、p ( o m e ) 3 与 f e 2 ( s 2 c 3 h 6 ) ( c 0 ) 6 反应则可以得到f e 2 ( s 2 c 3 h 6 ) ( c n ) ( c o ) 4 【p ( o m e ) 3 】( 2 3 ) ( 图1 7 ) 【7 2 】： = 舭。c 蕊 嚣l 南开人学坝上学位论文 n p ( o m e ) 3n - i 。 i iff ，。未s 耸s 邮。，：- ，：萎叁邮嘞瞰呲瑚 从前面对【f e 】氢化酶的描述中我们发现所有活性中心都含有【f e 2 s 3 ( c o ) 3 ( c n ) 2 结构单 元，基于此，p i c k e t t 等f 3 1 首次由季戊三硫醇为起始物通过如下路线与f e 3 ( c o ) 1 2 【4 7 】得到 了化合物2 4 、2 5 ( 如图1 8 ) ，并经过x 一射线衍射分别测定了其单晶结构。# l # i - ，他们还 对化合物2 4 进行的c n 。取代进行了深入的研究 7 5 , 7 6 】 h m e s s m e o c f o h n a h o c f o 7 1 ) m e l p h c h 2 b r 2 ) l i a i h 4 3 ) h 2 s 0 4 图1 8 化合物2 4 、2 5 的合成路线 s h r r a u c h f u s s 在合成出【f e l 氢化酶活性中心模拟物 f e z ( p - s c h 2 n ( h ) c h 2 s 一) ( c 0 ) 6 】 时，用c n 进行了相应的羰基取代【5 6 l ，得到了【e t 4 n 】2 f e 2 ( s c h 2 ) 2 - n h ( c o ) o ( c n ) 2 ( e t 4 n 2 2 + 2 6 ) ，2 6 的单晶结构显示( 图1 9 ) 两个c n 。配体都处于f e f e 键的反位，而且，双硫桥 中间n 原子处于a x i a l 位置，这与h a l l 等的理论计算预测结果一致【3 2 】。 南开人学顺士学位论文 y 刊a 。 【f o 爹c 攀c o ”e o 2 6 c o 图1 9 化合物2 6 的单晶测定立体结构 r a u c h f u s sf h2 、4 与等量氧化三e p 胺在乙腈溶液中反应可得到羰基的双键取代化合 物2 7 、硫取代化合物2 8 5 5 】( 图2 0 ) 。 2 7 c o 三 图2 0 化合物2 7 、2 8 的结构 膦配体对 2 f e 2 s 活性中心羰基的取代研究是羰基的取代中很重要的一个方面，尤其 是d a r e n s b o u r g 研究组，他们对 f e 氢化酶 2 f e 2 s 活性中心的膦配体取代做了较多研 究。2 0 0 1 年他们用p m e 3 对【( - p d t ) f e 2 ( c o ) 8 】进行了双取代，得到了相应的 【“一p d l 】【f e ( c o ) 2 ( p m e 3 ) 】2 ( 2 9 ) 以及 ( 耻一h ) ( “一p d t ) 【f e ( c 0 ) 2 ( p m e 3 ) 】2 ) + p f 6 。( 【p f 6 3 0 ) ， 发现2 9 只有一种结构，没有异构体存在( 图2 1 ) ，这与双c n 取代物不一样；并研究了 3 0 的h i d 交换【5 5 j 反应。 氨勰 厂碧 商开人学f i j ；! 七学位论文 n 。c 、f g 丛c 。 。簏。i 挈 h c l ( a q ) m e o h n h 4 p f 6 图2 1 化合物2 9 的质子化反应 不久他们又用p m e 3 、p h m e 2 p 对几个不同模型的 2 f e 2 s 子簇进行了双取代，并进 一步得到相应的稳定的质子化产物，研究了它们h 2 d 2 吸附和h i d 交换过程【6 “。2 0 0 3 年， 他们又对几个 2 f e 2 s 子簇的p m e 3 双取代化合物用循环伏安法研究了它们的结构和功能 关系f 7 7 1 。他们进行的这些研究工作对于进一步确定【f e l 氢化酶的催化机理具有重要的意义。 最近，a k e r m a r k 研究组对 f e 氢化酶的双硫桥结构进一步进行衍生化分别合成了 三个新颖的e f e 氢化酶活性中心模拟物【7 8 , 7 9 , 3 7 。2 0 0 3 年，他们按照以下路线( 图2 2 ) 合 成了化合物3 1 、3 2 ( ”j ： 人 怂蒜务0 艾0i 罚f 可丽酊一 7+ f 、。 ，皇i c i f ；3 ；c ；o ：o i h i 蹇 。熬。， 。熬。 。乏公。 “么鑫m 图2 2化合物3 1 、3 2 的合成路线 + 0 ) t 一p n 签 、 、， 瞅 史、丫 r s 丫 + 郴 器 史、 ，一 f 鞯 ， x 一厂。 南开人学坝卜学位论文 化合物3 2 有一个自由氨基，可以连接到蛋白质骨架上；此外该化合物还可以在蛋白 质或超分子体系中作为电子转移的氧化还原活性中心加以研究【7 8 1 。 接着，他们又合成了一个含r u 2 + 的光敏性基团的 f e 氢化酶的模拟物3 3 ( 图2 3 ) 7 9 】 e ( a ) c h 2 0 ，c h 2 c 1 2 r tb ) s o c l 2 ，r tc ) l i ( s f e ( c o ) 3 ) 2 t h f ，一7 8 。c d ) 4 i e t h y n y l 一2 2 ：6 ，2 - t e r p y r i d i n e ， p d c l 2 ( p p h ) 2 c u l ，e t 3 n ，t o l u e n e 4 0 。c e ) i r u c t 2 ( t e r p y ) d m s o ，c h 3 0 h 。r e f l u x 图2 3 化合物3 3 的合成路线 2 p 啄 3 3 c o ) 3 按照设想当光照时含r u 2 + 的光敏性基团可以将光电子通过共轭体系传递给 f e 氢化 酶活性中心，从而实现把质子还原为氢气的过程。 2 0 0 4 年，他们又报道了用类似方法合成的一个氮杂双硫桥 f e j 氢化酶活性中心模拟物 3 4 ( 图2 4 ) 3 7 】。化合物3 4 在结构上的显著特点是n 原子的孤对电子朝向其中一个f e 原 子。这对于质子的结合和转移在空间上是非常有利的。 入y 呲 南开人学坝l 学位论文 b r e ( c o ) 3 图2 4化合物3 4 的结构 该化合物的电化学实验表明，它比目前所合成的同类【f e 】氢化酶活性中心模拟物具有 更好的催化能力。另外，苄基对位的溴原子还可以作为新的反应点引入其他基团。 从1 9 9 8 年测得首例 f e 氢化酶的晶体结构到现在，化学家们已经能够在一定程度上 对 f e 氢化酶活性中心 2 f e 2 s 子簇进行化学模拟，并取得了可喜的进展。为了丰富和发 展 f e 氢化酶的化学模拟工作。我们以氧杂丙撑基和硫杂丙撑基 2 f e 2 s 子簇作为前体， 通过特定的膦配体等进行羰基取代，从而合成出具有双活性中心的 f e 氢化酶模拟物；此 外还合成了新型氧杂丙撑桥c 2 f e 2 s 氢化酶活性中心模型，并进行了瞵配体取代，得到了 一系列结构新颖、具有潜在应用前景的 f e 氢化酶活性中心模拟物，取得了创新性的研究 成果，硕士论文工作达到了预期的目的。 南开人学顺七学位论文 第二章双膦配体d p p f 、d p p r 桥连的【f e 】氢化酶双活性中心模拟物的合成及结构研究 早在1 9 6 5 年，s o l l o t 等人就首次合f i 茈出d p p fh ”b i s ( d i p h e n y l p h o s p h i n o ) f e r r o c e n e 】 8 0 , 8 1 , 8 2 。至l j l 9 8 9 年，自 , 弘, o n a k a 等人合成出第一个d p p f 的簇化合物c 0 3 ( c 0 ) 7 ( 址3 c c h 3 ) ( u d p p f ) p 骺 8 3 】【8 4 1 ，d p p f 在簇化学中的应用才得到飞速发展。而与d p p f 结构类似的d p p r 1 | 1 - b i s ( d l p h e n y l p h o s p h i n o ) r u l h e n o c e n e 】的合成则相对较晚【8 5 】【8 e l l 8 刀。由于d p p f 、d p p r 具有独 特的结构，因此我们用d p p f 、d p p r 对【f e 】氢化酶活性中心进行了羰基取代合成。 我们知道，【f e 氢化酶的结构中包括一个 4 f e 4 s 立方烷子簇通过一个半胱氨酸残基的 硫原子与 2 f e 2 s 子簇中的一个铁原子相连，【4 f e 4 s 立方烷子簇在传递和存储电子方面有 着十分重要的作用【2 3 , 2 4 , 2 5 。由于二茂铁、二茂钌具有可逆的氧化还原特性，他们的衍生物 可以作为良好的电子媒介体从而应用在催化剂、传感器等方面【8 8 8 9 - 9 0 ，9 ”，i 砒d p p f 、d p p r 对 f e l 氢化酶活性中一o 2 f e 2 s 子簇羰基取代得到的化合物在结构上有着一般膦配体取代 所不具备的特征。至于d p p f 、d p p r 在【f e 】氢化酶的催化过程中能否有特定的功能( 传递电子) 则还需要进一步研究。 结果与讨论 一、d p p f 、d p p r 桥连 f e 氢化酶双活性中心模拟物( 1 a 、1 b 、l c 、1 d ) 以及1 a 的c n 取代产物2 的合成 在氮气保护下，把等摩尔比的( p - s c h 2 0 c h 2 s - u ) f e 2 ( c o ) 6 和m e 3 n o 2 h 2 0 在 c h 3 c n 溶液中搅拌反应，可以观察到溶液由红色迅速转变为黑色，室温反应约2 0 分 钟后加入o 5 当量的d p p f ，继续室温反应4 小时，中间可以观察到溶液又逐渐转变为 红色。最终混合物用薄层板分离锝到深红色固体1 a 。用类似的方法可以得到深红色固 体1 b 、1 c 、1 d 。 在氮气保护下，将1 a 的c h 3 c n 溶液冷却到4 0 。c ；再加入2 倍当量的e t 4 n c n ( 0 1 m m 0 1 ) 。自然缓慢井至室温后继续反应4 小时。最终残余物用t h f 溶解、正已烷沉 淀、洗涤，最后得到土褐色产物2 。 南开大学坝l ：学位论文 反应式如下 ，巡半竺 ( c o ) 3( c o ) 3 ( 蕊谢漪 少一1 5 e 7 f 。 p 鹱晦孥r l ， 品i 需要说明的是，对于膦配体对簇合物羰基的取代，通常有两种方法。第一种方法通常 是把相应摩尔比的膦配体和羰基簇合物溶解在苯或者甲苯等有机溶剂中回流加热p z 】；第二 种方法通常是把羰基簇合物先行在c h 3 c n 等溶液中用m e 3 n o - 2 h 2 0 氧化脱羰基