（应用化学专业论文）酪氨酸修饰的金属Corrole化合物的合成和性能研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 光合作用是自然界中最基础的化学过程，光合生物中水的四电子氧化就是通过光系 统i i ( p s i i ) 中的释氧活性中心( o e c ) 来完成的。一系列关于p s i i 的x 射线结构分 析显示光合o e c 蛋白的活性位点包括一个锰簇( m n 4 c a ) 以及连接p 6 s o 和o e c 的酪氨 酸( t y r o ) 。由叶绿素a 分子组成的p 6 s 0 吸收光变为激发的p 6 8 0 后，将个电子先转移 到脱镁时绿素再转移到两个醌，两自身失电子变为一个p 6 8 0 + 。同时光氧化的p 6 8 0 + 从释 氧中心( o e q 中得到一个电子( 通过t y r z 氧化m n 4 c a 簇) 回到基态，经过四次光诱导电 子转移，两分子水最终被氧化生成一分子氧气。t y r z 对稳定最初的电荷分离至关重要。 作为电子供体的锰簇在水氧化过程中经历了五个步骤六个状态( s o s 4 ) 。虽然氧化水的 机理到现在还不十分清楚，但人们普遍认为含高价锰金属的化合物存在于水氧化的过程 中。如何得到高价稳定的锰金属仍是一个急待解决的课题。c o r r o l e 化合物是一种与卟 啉类似的四毗咯芳香大环化合物，在稳定高价金属方面优于卟啉，它能将过渡态金属稳 定到三价或者是更高价态。因此，本文设计了c o r r o l e 与酪氨酸通过酰胺键相连的配体 4 ，及其锰金属络合物4 b 来模拟水氧化过程。 本文从二吡咯甲烷化合物1 出发，经过c o r r o l e 成环、硝基还原和d c c 缩合反应得 到t y r - c o r r o l e 配体化合物4 ，分别与铜锰络合得到金属络合物4 a 、4 b ，并利用核磁、 质谱、紫外可见光谱、元素分析、电化学等多种手段对大部分化合物的结构和性质进行 了研究。为了便于比较铜c o r r o l e 化合物的性质，也合成并表征了中间体2 、3 的铜络合 物2 a 、3 a 。通过质谱、紫外可见光谱等方面的研究，确定了锰络合物伯金属中心的价 态为m n ( r v ) 。通过发射光谱研究发现自由的c o r r o l e 化合物具有明显的荧光，而金属铜、 锰化合物由于金属核的淬灭无荧光。在二氯甲烷中的电化学循环伏安研究发现，铜 c o r r o l e 化合物2 a ，3 a 在电化学氧化中无二聚现象出现，而4 a 在电化学驱动第一氧化 过程中二聚为1 1 - 1 1 二聚物，并实现二聚物的两个单环依次失去一个电子的分步氧化。虽 然金属络合物4 a 、4 b 在电化学、化学和光化学条件下的催化水氧化研究均没有发现氧 气产生，但所设计的目标化合物仍为人工模拟o e c 提供了一个结构模型。 关键词；三价铜c o r r o l e 化合物；四价锰c o r r o l e 化合物；酪氨酸；释氧活性中心( 0 e c ) 酪氨酸修饰的金属c o r r o l e 化合物的合成和性能研究 s y n t h e s i sa n dp r o p e r t i e so f m e t a lc o r r o l ec o m p l e x e s m o d i f i e db y t y r o s i n e a b s t r a c t t h ef o u r - e l e c t r o no x i d a t i o no fw a t e ri np h o t o s y n t h e t i co r g a n i s m si sa c h i e v e db ya n o x y g e n - e v o l v i n gc o m p l e x ( o e c ) i np h o t o s y n t h e s i s ，w h i c hi so n eo ft h em o s tf i m d a m e n t a l c h e m i c a lp r o c e s s e si nn a t u r e as e r i e so fx - r a ys t r u c t u r ea n a l y s i so fp h o t o s y s t e mi i ( p s ) i n d i c a t e dt h a tt h ea c t i v es i t ei na p h o t o s y n t h e t i co e cp r o t e i nc o n t a i n sam m c ac l u s t e ra n da n e i g h b o r i n gt y r o s i n ef r y r z ) i sl i n k e db e t w e e np 6 s oa n do e c b yl i g h ta b s o r p t i o no ft h e p r i m a r ye l e c t r o nd o n o rp 鸪oc o n s i s t i n go fe h l o r o p h y l l4m o l e c u l e s ，e l e c t r o nt r a n s f e ro c c u r s f r o mt h ee x c i t e dp 6 s 0 + t oap r i m a r ye l e c t r o na c c e p t e rp h e o p h y t i na n ds u b s e q u e n t l yt ot w o q u i n i n e s , f o r m i n gp 6 8 0r a d i c a lc a t i o n t h ep h o t o - o x i d i z e dp 6 s or e t r i e v e st h ee l e c t r o nf r o ma m 1 1 4 c ac l u s t e rv i at y r = a f t e rf o u rp h o t o p r o c e s s e s ，t w om e l e e u l a rw a t e ra r eo x i d i z e dt oa m o l e c u l a ro x y g e n t y r zi sc r u c i a lf o rs t a b i l i z a t i o no ft h ep r i m a r yc h a r g es e p a r a t i o n a st o e l e c t r o nd o n o r o x i d a t i o no fw a t e ra tt h em m c ac l u s t e ro c c m si nf i v es t e p sa n di n v o l v e ss i x o x i d a t i o ns t a t e s ( s o s 4 ) t h o u g ht h em e c h a n i s mo fd i o x y g e ne v o l u t i o nh a sn o tb e e n d e t e r m i n e dc o m p l e t e l y ，t h es t a g eo f o x y g e ne v o l u t i o nw o u l di n v o l v eah i g hv a l e n tm a n g a n e s e s p e c i e s h o wt oo b t a i nas t a b l el i g a n dt os t a b l eh i 幽v a l e n tm a n g a n e s ei s s t i l lau r g e n t p r o b l e m ，c o r r o l e sa l ea l o m a t i ct e t r a p y r r o l em a c r o c y c l e sa sar i n g - c o n t r a c t e da n a l o g u eo f p u r p h y f i n s w h i c hh a v eb e e np r o v e dt os t a b i l i z el l i g h e ro x i d a t i o ns t a t e sf o rc o o r d i n a t e dm e t a l s c o m p a r et ot h em o r ef a m o u sp o r p h y r i n s t h e r e f o r e ，t h el i g a n d4w h i c hc o n t a i n sac o r r o l ea n d at y r o s i n ec o n n o t e dt h r o u g h 姐a m i d eb o n dw a sd e s i g n e d a sw e l la si t sm ac o m p l e x4 bf o r t h es t u d yo f w a t e ro x i d a t i o n t h es y n t h e s i ss t a r t sf r o mad i p y r r o m e t h a n ec o m p o u n d1 p r e p a r e da c c o r d i n gt o t h e l i t e r a t u r e a f t e rt h r e es t e p so fc o r r o l ef o r m a t i o n , r e d u c t i o no ft h en i t r og r o u pi n2a n d f o r m a t i o no fa m i d ob o n db yd c c ，t h ea l t n e dc o r r o l ec o m p o u n d4i ss y n t h e s i z e d a s u b s e q u e n tm e t a li o n se o m p l e x a t i o ng i v e sc o r r e s p o n d i n gc o m p l e x e s4 aa n d4 b t h ec o p p e r c o m p l e x e s2 aa n d 3 ao f t h ei n t e r m e d i a t e s2a n d3w e r ea l s op r e p a r e df o rc o m p a r i s o n m o s to f s e v e nn e wc o m p l e x e sa t ec h a r a c t e r i z e db y hn m m s ，u v 一讲s ，m a s s s p e c t r o m e t r y , e l e m e n t a la n a l y s i s t h r o u g ht h em e a s u r e m e n t so fm s ，u v 州s ，t h ev a l e n c es t a t ef o rt h e c e n t r a lm e t a li o no fm a n g a n e s ec o m p l e x e s4 bi sc o n f i r m e d 幻b em n ( i 、，) 。t h ee m i s s i o n p r o p e r t yi n s t a t e st h a tt h ee m i s s i o no fl i g a n d s2a n d3i ss t r o n g ，b u tn oe m i s s i o ni so b s e r v e d f o r 协由m e t a lc o m p l e xd u et ot h ee x t e r m i n a t i o no fm e t a lc e n t e r ar e m a r k a b l ed i m e r i z a t i o n i sf o u n df o r4 ai nc o n t r a s to f1 1 0d i m e r i z a t i o ni so b s e r v e df o r2 aa n d3 ai ne l e c t r o c h e m i c a l 大连理= r = 大学硕士学位论文 o x i d a t i o n si nc h 2 c 1 2 t h ef i r s tt w oo x i d a t i o n so f4 ao c c u rv i at w os t e p w i s ea b s t r a c t i o n so f o n ee l e c t r o nf r o me a c hm a c r o c y c l ei nt h ee l e c t r o g e n e r a t e dc o r r o l et - t rd i m e r t h o u 曲n o o x y g e nw a sd e t e c t e di nt h ec a t a l y z i n gw a t e ro x i d a t i o no fm e t a lc o m p l e x e s4 aa n d4 bb y e l e c t r o c h e m i c a l ，c h e m i c a l ，p h o t o c h e m i c a lp r o c e s s e s ，t h et a r g e tt y r o s i n em o d i f i e dm e t a l c o r r o l ec o m p l e x e sc a nb ea l s os e e m e da sam o d e li ns i m u l a t i n gt h es t r u c t u r eo f o e c k e yw o r d s ：c o p p e r ( i i i ) c o r r o l ec o m p l e xm a n g a n e s e ( i v ) c o r r o l ec o m p l e x ：t y r o s i n e o x y g e n e v o l v i n gc o m p l e x ( o e c ) 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知i 除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对j + + , j o f 究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：毡日期：麴z ：2 至 大连理上大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：塑 导师躲自通望 尘卫年上y j 一2 2 - n 大连理工大学硕士学位论文 引言 2 0 世纪以来，以煤炭、石油、天然气等燃料为动力的工业文明飞速发展，人们在享 受现代文明所创造的优越的物质生活的同时，能源危机已不期而至，能源枯竭已成为人 类生死攸关的严峻问题。全球性的能源危机，迫使各国投入人力和财力，研究和开发新 能源。太阳能取之不尽、用之不竭，是名副其实的可持续性清洁能源。如何高效利用太 阳能直受到人们的极大关注。目前，利用太阳能的一个较有发展前景的途径是：引入 自然界的光合作用的概念来建造一个模拟系统，这个系统能将太阳能转化成燃料氢。这 样就可以将能量以物质的形式储存起来。如何设计和构建一个有效系统来模拟自然界的 光合作用，是人工光合作用面临的严峻挑战，这已经引起了许多国家政府和科学工作者 的重视。在植物、藻类的天然光合作用中，光系统( p h o t o s y s t e mn ，p s i i ) 是光驱动氧化 水反应中最重要的酶。p s i i 完成了光合作用反应中最基本、最普遍的反应：光吸收、电 子转移、电荷分离以及电荷稳定。在光合作用过程中，p s i i 利用光将电子从水转移到醌 中，利用已还原的醌将电子继续传递下去，最终成为植物中生物合成反应的动力。而p s i i 中水氧化反应的副产物氧气，为高等生命体的生存和发展提供了必要的前提和条件，因 此应该将p s i i 放在尘物界光合作用研究的中心位置。 p s i i 体系除了包括释氧活性中心( o e c ) 这一水氧化的发生单元，还存在很多氨基 酸。其中t y r z 非常重要，是整个光合作用的电子源供体，起到质子耦合电子转移的作用。 p s i i 中的t v r z 能调节电子转移过程，防止p 6 8 0 激发态被o e c 淬灭，确保p 6 8 0 能有效转 变为p 6 8 0 + ；同时，对于p 6 8 0 + 来说t y r z 是非常快的电子给体，因此酪氨酸能阻止来自于 醌的不利的电子回传。此外，t y r z 对于p s i i 中o e c 氧化水的过程也很重要，它直接参 与了从与m m 簇键合的水中转移质子和电子。而目前人们对t y r 从锰簇获得电子，转移 电子、实现水氧化的研究较少。因此，如何构建一个模型体系将高价金属络合物与t y r 相联，使得t y r 从金属中心获得电子，完成电子转移，实现水氧化，是一个非常具有挑 战性的课题。 酪氨酸修饰的金属c o n o l e 化合物的合成和性能研究 1 文献综述 1 1 前言 2 0 世纪5 0 年代以后，由于石油危机的爆发，对世界经济造成巨大影响，国际舆论开 始关注起全球范围内的能源危机问题。许多人甚至预言：世界石油资源将要枯竭，能源 危机将不可避免。如果不做出重大努力去利用和开发各种能源资源，那么人类在不久的 未来将会面临能源短缺的严重问题。能源危机已不期而至，能源枯竭已成为人类生死攸 关的严峻问题。 另外，人类在对能源的开发和利用的同时也引发了一系列的生态问题，特别是最近 几十年中，现代文明的高速发展使这一问题更加激化。人类长期对矿物资源的依赖不仅 造成了这些资源的桔竭，而且带来了诸如酸雨、温室效应等严重的环境问题。而其它一 些替代能源也存在有很多不尽人意之处：如核能存在很大的使用和后处理的危险；风力 和水力也极大地受着季节和区域的限制。因此，寻求一种既能满足日益增长的能耗需求， 又能保持生态可持续发展的新的能量来源，就成为了人类当前面临的严峻挑战。 太阳能取之不尽、用之不竭，是名副其实的可持续性清洁能源。我们的衣、食、住、 行等赖以生存客观条件，归根结底是来自于绿色植物进行的光合作用。绿色植物通过光 合作用，以二氧化碳作为碳源，分解水并放出氧气，生成有机物，把太阳能转化为化学 能，形成我们所需要的食物、燃料等。长期以来人们致力于发展人工模拟光合作用，在 研究过程中，人们并不是完全复制生物系统，而是有选择的模拟生物体系的各种功能。 重要的就是能够模拟生物体系，利用太阳能来驱动水和二氧化碳作用，生成人们所需要 的燃料。在整个光合系统中，利用太阳光来分解丰富的水资源形成氧气和氢则成为人们 最为关注的过程。 目前，利用太阳能产生热量和电已得到了广泛应用，如太阳能热利用，太阳能光一 电利用( 太阳能电池) ，太阳能光一电化学转换等。尽管人们在太阳能综合利用领域已 取得很大进展，但多数研究均集中于光能一热能、光能一电能的转化，而光能一化学能 ( 例如氢能) 转化的研究并不多见，人类尚无法有效利用太阳能直接分解水产生氧气和 氢气，实现太阳能到化学能的转化，从而获得清洁的燃料。随着光合作用机理的逐步揭 示，启发人们对光合作用进行人工模拟，以期从人工光合作用中获取未来的能源。目前 为止人们还没有找到一个以绿色植物光合作用原理为依据的体系，更谈不上像植物那样 高效地转化太阳能了，这个领域的研究正处于基础阶段。自然界的释氧光合反应，是以 水作为电子来源，最终将太阳能转化为化学能的，但要进行人工模拟难度却很大，因为 大连理工大学硕士学位论文 植物中光合作用的过程与结构相当复杂，转化的效率极高，这方面的研究还需不断扩展 和深入。 1 2 天然光合作用”咖 光合作用( p h o t o s y n t h e s i s ) 是植物、藻类和某些细菌利用叶绿素，在可见光的照射下， 将二氧化碳和水转化为葡萄糖，并释放出氧气的生化过程。光合作用是地球上最重要的 化学反应，也是地球上最大规模地把太阳光能转化为生物化学能的过程。植物通过光合 作用利用无机物生产有机物并且贮存为化学能，成为食物链的生产者。通过食用，食物 链的消费者可以吸收到植物所贮存的能量，效率为3 0 左右。对于生物界几乎所有的生 物来说，这个过程是他们赖以生存的关键。而地球上的碳氧循环，光合作用也是必不可 少的。据估计，全世界所有生物通过呼吸作用消耗的氧和燃烧各种燃料所消耗的氧，平 均为1 0 0 0 0t s ( 吨每秒) 。以这样的消耗氧的速度计算，若没有光合作用的存在，大气 中的氧大约只需二千年就会用完。 天然光合作用的关键参与者是内部的叶绿体。叶绿体在阳光的作用下，把经有气孔 进入叶子内部的二氧化碳和由根部吸收的水转变成为葡萄糖，同时释放氧气： 1 2 h 2 0 + 6 c 0 2 + 光一c 6 h 1 2 0 e ( 葡萄糖) + 6 0 2 t + 6 h 2 0 上式中等号两边的水不能抵消，原因是左边的水，是植物吸收所得，而且用于制造 氧气和提供电子和氢离子。而右边的水分子的氧原子则是来自二氧化碳。 1 2 1光系统微观结构及功能简介 光合作用是地球生物圈赖以生存的关键，地球上的绝大多数生物都是直接或间接地 从太阳中摄取能量的。在绿色植物、海藻、藻青素中，光合成细菌吸收太阳光，将水中 的电子转移给二氧化碳，将其还原成碳水化合物。大部分光合成有机体在形成a t p ( 三 磷酸酰苷) 时产生化学能，在形成n a d p h ( 还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸) 时产生还 原能，用来还原二氧化碳，这样，光能就以两种能量丰富的产物( 如：糖和淀粉) 的形 式储存起来 光合作用的能量转换发生在叶绿素的蛋白质和脂肪膜皮中。通过对植物类囊膜的研 究发现这一过程主要通过以下器件来完成：光系统i i ( p si i ) ，光系统i ( p si ) ，细胞 色素b f 配合物及a t p 合成酶，p s i 主要位于基质片层，暴露于叶绿体基质；p s i i 主要 位于基粒片层中，远离基质。位于p s i 反应中心特殊的c h l a 分子的最大吸收波长为7 0 0 酪氨酸修饰的金属c o r r o l e 化合物的合成和性能研究 n l n ，所以该c h l a 分子有时也称之p 7 0 0 ，而位于p s i i 反应中心的特殊的c h l a 分子的最 大吸收波长为6 8 0n l n ，所以有时也称之p 6 8 0 。所有释放氧气的光合成细胞都包含两个 光系统，如较高级的植物、海藻及藻青酶，而其它所有的不释放氧气的光合成细菌，则 只包含光系统i 。 图1 1 在类囊膜内存在的光合成器件：光系统i i ( p s i i ) ，细胞色素b 6 f 配合物，光系统i ( p s d 及 a t p 合成酶。 f i g 1 1o r g a n i z a t i o no f t h ep h o t o s y n t h e t i ca p p a r a t u si nt h et h y l a k o i dm e m b r a n e ：p h o t o s y s t e mi i ( p si i ) ， c y t o c h r o m eb d c o m p l e x ，p h o t o s y s t e mi ( p si ) a n da t ps y n t h a s e 由图1 1 中可看到，在光能的驱动下类囊体内进行着电子和质子流动。在p s i i 中的 释氧活性中心( o e c ) 的作用下，来自h 2 0 裂解产生的电子经p s h 、一系列中间载体、 p s i ，最后传递给n a d p + ；而一部分质子在电子传递过程中从基质泵入类囊体腔内，与 h 2 0 裂解生成的质子在腔内外形成一个质子梯度，腔内的质子经a t p 合成酶形成的质 子通道重新再流回基质，同时催化a t p 的合成。在叶绿体中参与光合作用的各个部分 中，最主要的部分是光系统i i ( p s i i ) 。光系统i i 完成了光合作用中最重要的过程，即 吸收太阳能，分解水，转移电子和质子，为光合作用的继续进行提供了最初的原料和能 量。 1 2 2p sj i 的微观结构及作用原理研究 光合作用中，含能物质的产生是由光合作用中的还原部分完成，而还原反应所需的 电子、质子需要由氧化部分提供。在植物、藻类天然光合作用中，氧化部分的反应主要 大连理工大学硕士学位论文 是由光系统i i ( p si f ) 来完成的。p s 催化了最重要的氧化反应一光驱动氧化水1 6 ，7 】。 水是植物乃至自然界中用之不竭的电子来源，而光系统n 是唯一能利用水作为电子来源 的反应中心。p si i 完成以下光合作用中最普遍、最基本的反应：光吸收、电子转移、电 荷分离以及电荷稳定。另外，p si i 还具有利用光将电子从水转移到醌中的作用，从而将 醌还原，被还原的醌将还原的能力继续传递下去，最终成为生物合成反应的动力。而作 为p s h 中水氧化反应的副产物氧气，恰好为高等生命体的存在提供了基本的前提条件， 因此将p s i i 反应中心放在生物界的中心位置是理所当然的【8 9 1 图1 2 光系统i i 的组成图 f i g 1 2c o m p o s i t i o no f p h o t o s y s t e m i i p s ( 图1 2 ) 蛋白复合体至少含有1 2 种不同的多肽，其中最大的是c p 4 7 和c p 4 3 ， 与叶绿体色素结合构成p s 的捕光色素复合体( p si l i g h th a r v e s t i n gc o m p l e x ，l h c i i ) ， 还有反应中心d 1 和d 2 两条多肽，是p si i 复合体的基本组成部分，其上排列有p 6 8 0 、 脱镁叶绿素( p h e o ) 和质体醌( p l a s t o q u i n o n e ) 。而p 6 s o 通过t y r z 与附近的释氧配合物 ( o e c ) 组成光解水的反应中心和转移电子、质子的根本源泉。在p s i i 中光合作用是由 “天线”系统中的叶绿体吸收光子开始的。“天线”的功能是将吸收的能量传递给叶绿 体即p 6 s o 。p 6 8 0 吸收能量后传递电子给接收体脱镁叶绿素。脱镁叶绿素再将它多余的电 子快速地传递给与蛋白质键合的质体醌q a ，然后再将电子传递给下一个与q 很近的醌 酪氨酸修饰的金属c o r r o l e 化合物的合成和性能研究 q b 。从q 一中接收两个电子及从水中接收两个质子，q b 完全被还原成了对苯二酚的形式 ( q b h 2 ) 。对苯二酚从类囊体的膜扩散，又被氧化成了细胞色素b f 配合物。还原的能 量被利用来还原光系统i 中的n a d p + 及一n a d p + 还原酶。 p s i i 的结构非常复杂，为了更深入地了解自然界p s i i 的主要官能团的结构结构和各 个功能团的作用，人们采用各种技术手段对光合系统进行了全面的研究。在这些手段中， x r a y 晶体衍射提供的结构信息是最直接、最有力的。 2 0 0 1 年，z o u n i 等【m 1 提出的p s ( 包括锰簇) 在3 8a 解向率的x - r a y 晶体结构为世界 各地的科研组提供了极大的帮助和鼓舞。在晶体结构中，人们发现了光系统i i 中的各个 主要功能团的主要结构，了解它们所在的位置及相关距离，并通过这些结果推测各功能 团的作用，同时为生物模拟系统提供了大量可以参考的信息。虽然在此结构中，能够确 定释氧中心( o e c ) 相对于其他主要功能团的位置，但是关于o e c 以及锰簇的详细结构 还没被完全揭示。发现锰簇中包含有四个锰原子，而它们之间的联系和相互作用仍有待 于进一步研究。2 0 0 4 年，j b a r b e r 等1 提出了p s i i ( 包括锰簇) 在3 5a 的x - r a y 晶体结 构，使人们更清楚地认识了光系统i i 中的各个主要功能团的主要结构和作用，同时释氧 中心进行水氧化的化学细节得到了进一步验证。随着科学技术水平的进步，人们对p si i 中各个功能基团的作用认识得越来越深刻。2 0 0 5 年，b l o l l 等人【1 2 1 将解向率提高到3 0 a ，得到了更为清晰的p s i i ( 包括锰簇) 的x r a y 晶体结构( 图1 3 ) 。 图1 3 最新p s i i 晶体结构显示氧化还原活性单元及电子转移通道 f i g 1 3t h en e w e s tc r y s t a ls t r u c t u r eo f p s i is h o w e dr e d o x - a e t i v ec o f a c t o r sa n de l e c t r o nt r a n s f e rc h a i n 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 图1 3 中可以清楚地看出p s i 中电子转移的通道，当叶绿素吸收能量后，电子将从 p d l p d 2 转移虱j c h l d i c h l 0 2 ，进一步转移至i p h c o d l p h e o d 2 ，从而还原q a q b ，最后到达f e ”， 还原二氧化碳生成有机物，完成电子转移。 1 2 3 释氧活性中心( o e c ) 的微观结构及作用机理研究 释氧活性中心( o e c ) 是p s i i 中的核心部件，也是水氧化的完成单元，清楚确定释 氧活性中心( o e c ) 的微观结构及作用机理对人工模拟光合作用具有重大意义。同时， 这一部分也是p s 中难度最大最富有挑战性的一环，吸引了很多科学家的关注。 正是由于o e c 的重要作用，近几年来关于p s i i 的x - r a y 晶体结构的研究主要集中 在o e c 的结构确定。2 0 0 1 年，z o u n i 等提出的p s i i ( 包括锰簇) 在3 8a 解向率的x - r a y 晶体结构，确定了释氧中心( o e c ) 相对于其他主要功能团的位置。此研究发现，锰簇 中包含有四个锰原子而它们之间的联系和相互作用仍有待于进一步研究，关于o e c 以 及锰簇的详细结构也没被完全揭示。 图1 4 释氧中心结构图和水氧化可能发生的位置 f i g 1 4 t h eo x y g e n - e v o l v i n gc e n t e r ( o e c ) a n dt h ep o s s i b l ep o s i t i o no f w a t e ro x i d a t i o n 2 0 0 4 年，j b a r b e r 等提出了p s i i ( 包括锰簇) 在3 5 a 解向率的x - r a y 晶体结构表明， 光合作用的释氧中心( o e c ) 由四个锰一个钙通过四个氧桥键连接而成( 图1 4 ) 。在此 结构中，其中三个锰( m n l ，m n 2 。m n 3 ) 一个钙与四个氧组成类似立方体的结构，另一 个锰( m n 4 ) 在立方体外侧，而t y r z 和h i s 等氨基酸在释氧中心周围形成转移质子和电子 的通道。通过这一释氧中心的示意图，可以推测水氧化可能发生的位置位于立方体中的 钙与附近的两分子水( x 2 1 和x 2 2 ) 结合，同时x 2 1 和x 2 2 分别与t y r z 和外围的氨基酸形 酪氨酸修饰的金属c o r r o l e 化合物的合成和性能研究 成氢键，而位于立方体外侧的m n 4 贝l j 与另一分子水( x 1 ) 结合。而水氧化可能发生的位 置正是m n 4 和c a 2 十及三分子水所在的位置。在示意图中发现在m n 4 周围可能还存在两分 子水( w 1 和w 2 ) ，对于这两分子水是否参与水氧化还有待于进一步研究。 最新的晶体结构( 2 0 0 5 年，b l o l l 等人【1 2 l 提出了p s i i ( 包括锰簇) 在3 0 a 解向率 的x r a y 晶体结构) 表明光合作用的释氧中心( o e c ) 是由四个锰一个钙组成的，但与 j b a r b e r 等提出的结构不同( 图1 5 ) ，b l o l l 等提出的最新晶体结构中，其中的三个 锰( m n l ，m i l 2 ，m n 3 ) 与钙直接相连，形成四面体结构，而另一个锰( m n 4 ) 在四面体 外侧，而t y r z 和h i s 等氨基酸在释氧中心周围形成转移质子和电子的通道。 图1 5 释氧中心结构图 f i g 1 5t h eo x y g e n - e v o l v i n gc e n t e r ( o e c ) 在此结构中，m n l ，m l l 2 ，m n 3 的距离基本相同，它们到钙离子的距离也基本相同， 这意味着它们在锰簇中起到近似的作用。而t y r z 的酚羟基距离四面体顶端c a 离子的距 离是4 9a ，这一距离非常有利于实现电子从锰簇到p 6 8 0 的转移。在这一晶体结构中， 人们同样认为水氧化最可能发生在m n 4 上，其他锰原子和氨基酸起到协同作用。人们 推测，在水氧化发生之前，锰簇中各个锰原子的价态可能是m n l ( i i i ) ，m n 2 ( i i i ) ，m n 3 ( i i i ) ， m n 4 ( i v ) ，随着逐步的电子转移，锰簇最终达到m n l ( i v ) ，m n 2 ( i v ) ，m n 3 ( i v ) ，m n 4 ( v ) ， 从而形成高价的氧化中心，实现氧化水放出氧气。这一推测已经被广泛地接受，也使得 人们开始考虑用单核锰实现水氧化。虽然水氧化的细节仍有待于进一步验证，但是释氧 中心( o e c ) 的最新晶体结构和推测的水氧化位置为人工模拟光合作用的研究提供了更 全面、更充分的依据。 大连理工大学硕士学位论文 幽1 6 极化的e x a f s 技术得剑的p s l l 中m n 4 c a 的高分辨结构模】l ! ! f i g 1 6h i g h r e s o l u t i o ns t r u c t u r a lm o d e l sf o rt h em n 4 c a c l u s t e ri np s i if r o mp o l a r i z e de x a f s 2 0 0 6 年1 1 月，德国马普生物无机化学研究所的科学家和柏林等地的科学家合作通 过极化的e x a f s 技术对p s i i 单品进行研究得到了p s i i 中m n 4 c a 的精确结构【1 3 l ，该结 构与3 0a 解向率以及3 5a 解向率的x - r a y 晶体结构均不同。o e c 中含有4 个锰，一 个钙和至少5 个氢原子，一直以来，破解m n 4 c a 的精确结构的秘密在于这些原子的几 何排列。该课题组考虑了至少1 8 种锰和氧原子的排列模型，通过实验和理论计算，他 们现在确定了三个非常相似的结构( 图1 6 ) 。这三种结构中都有共同m n 4 结构，如图 1 6 中最上方的小图所示，m n 4 由3 个相互连接的菱形构成，两个锰和氧共边，所以每 个锰和氧原子和三个原子相连，剩下的一个锰有四个氧原子相连。其中m n c 和m n d 之 间的距离为2 8a ，m n a 和m n b 以及m n s 和m n c 之间的距离相同，为2 7 a ，m n b 和m n d 的距离较远为3 3a 。c a 与两个m n 原子的距离为3 4a ( 在模型中，c a 可能是与 酪氨酸修饰的金属c o r r o l e 化合物的合成和性能研究 m n c 和m n d 或者是与m n b 和m n d 的距离为3 4a ) ，c a 与两个m n 原子的桥键连接形 式还未确定，所以以虚线连接。这一结构的提出为光催化水氧化机理的研究以及人工模 拟光解水催化剂的设计提供了坚实的基础。 随着p s h 以及释氧活性中心的结构不断破解，释氧活性中心( o e c ) 的作用机理也 越来越明确，在生物能量学研究领域中，水的氧化机理已成为重点研究和讨论的课题 1 1 4 - 1 7 1 。在1 9 6 9 年，j o l i o t 等就发现植物样品的放氧有四闪一周期的规律增2 0 】，他们通过 加宽氧电极的表面宽度，设计出时间响应快和灵敏度高的新型极谱测氧仪，精确地测定 单一闪光后的释氧量。他们发现经过暗适应的植物样品在第3 次、第7 次、第l1 次闪 光后的放氧量达到最大值，即植物样品的放氧有四闪一周期的规律。 1 9 7 0 年，k o k 等提出了一个释氧循环模型，成功解释了放氧四闪一周期的现象( 图 1 7 ) 。他们认为，水氧化中心应当有5 种不同的存在状态，即s o 、s l 、s 2 、s 3 、s 4 ，下标 代表氧化还原当量的数目。反应中心每吸收一个光量子就推动水氧化中心向下一个状态 前进一步，从邻近的水分子夺取一个电子，通过t y r z 转移给p 6 i 。他们认为，s 4 态是瞬 时过渡态，当处于s 。态的水氧化中- l l , 转移4 个电子到达s 4 态时，高氧化状态的s 4 态将 从水中夺取电子，从而回到s o 态，同时放出一个分子氧气。 o ，4 - 4 h + 2 h ，o 8 3 i h v s 图1 7 锰簇在“k o k ”循环中的变化 f i g 1 7c h a n g eo f m n 4 c l u s t e ri n “k o k ，c y c l e 在k o k 循环中各s 状态实质上对应着释氧中心( o e c ) 中锰簇的不同氧化还原态。 在水氧化过程中，释氧中心( o e c ) 经历了从s o 到s 4 氧化态的循环，随着释氧中心氧 化态的逐渐升高，水最终被氧化成氧气。由于光合放氧需要积累4 个正电荷，整个过程 应当串联着4 个电荷分离的步骤。锰簇也被称为“四电子门”或“四正电荷累积器” 后来很多科研工作者对于t y r z 同与之以氢键相连的组氨酸( h i s ) 的相互作用上的 研究表明，氢键( 也许还存在另一个氢键) 对酶的高效率起着十分重要的作用。这些实 一l o 伽i & 弋 瓯 七 大连理工大学硕士学位论文 验结果也初步引出了在p s i 中其它有关氧化水的理论。在这些理论中，s 过渡态中的一、 二步是纯粹的电子迁移到t y r z ，而其他的过程则涉及到质子的转移。目前，尽管机理尚 不十分清楚，但很长的一段时间内，人们一直认为m n 4 簇在水氧化的过程中经历了五个 连续循环的氧化还原过渡态。 图1 8 锰簇在释氧循环中的变化 f i g 1 8c h a n g eo f m n 4 c l u s t e ri no x y g e ne v o l u t i o nc y c l e 最近几十年里，人们围绕m n 4 簇不同s 态的结构、价态以及整个m n 4 簇的作用做 了大量研究 2 1 , 2 2 】。到目前为止，锰簇中四个锰离子的氧化状态仍不是十分明确，关于锰 离子氧化态的研究正逐步深入1 2 3 - 2 5 1 。最新的研究表明( 图1 8 ) 1 2 6 ，在水氧化过程中， 释氧中心( o e c ) 经历了六个状态，从s o 到s 4 ，最后达到s 4 ，并通过放氧回到s o 氧化 态，完成循环过程。在s o 到s 3 过程中，随着每一次光照，将逐次转移一个电子和质子。 而在s ，和s 4 状态之间存在一个s 4 状态，在s 3 到s 4 过程中，通过先转移走一个质子， 来降低o e c 中心的氧化电位，为进一步转移电子提供有利条件，在s 4 到s 4 状态，通 过转移第四个电子使o e c 中心达到最高氧化态，进而氧化水放出氧气，实现光合作用 的重要一步。 酪氨酸修饰的金属c o r r o l e 化合物的合成和性能研究 1 2 4 t y r ：在p s | i 中的重要作用 在p 6 8 0 + 和释氧中心o e c 之间有一种非常重要的氨基酸( 酪氨酸) ，科学家们通常 把它叫做t y r z 。它是p s i i 体系的原初电子供体，在p s i i 体系中起到质子偶合电子转移 的重要作用。光合细菌需要通过细胞色素给被氧化的细菌叶绿素输送电子，其中一个结 构上的原因是由于光合细菌的光合反应中心没有t y r z ，所以它只能在很有限的空间内 ( 如硫磺泉、湖底) 生存。 在早期人们关于p s i i 的作用机理的研究中并未意识到t y r z 的重要作用。早期的观 点认为：在水氧化的过程中，t y r z 是通过单电子转移的方式将m n 4 簇逐步氧化，因此， m t h 簇更像一个电荷储存装置，随着电子的不断失去而具有越来越强的氧化能力。最后， m n 4 簇达到它的最高氧化态s 4 态，随后将两分子水氧化成一分子氧，同时得到的四 个电子使m n 4 簇回到还原态( s o ) 。在整个催化循环过程中，质子是以逐步的但不完全 明确的方式从o