（应用化学专业论文）配体对2Fe2S模型配合物结构与性质的影响.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 自然界中微生物体内的铁铁氢化酶能够可逆催化质子还原产氢，蛋白质晶体研究结 果表明其活性中心具有双八面体的蝶状几何构型，与金属有机配合物 【f e 2 ( p , s r ) 2 ( c o ) 钿l i i 】非常相似。简单的结构组成和高催化性能引起了合成化学家的极大 兴趣，人们期望对铁铁氢化酶活性中心结构进行化学模拟，揭示其催化产氢机理，并最 终制得廉价高效的制氢催化剂。本论文主要研究了配体取代对 2 f e 2 s 模型配合物结构和 性能的影响。 以丙烷桥连接的六羰基二铁二硫配合物【( i x - p d t ) f e 2 ( c o ) 6 】t a x t t = p r o p a n e 1 ，3 d i t h i o l a t o ) 为母体，通过分步的膦配体取代反应，合成了一系列非对称双膦 配体取代 2 f e 2 s 模型配合物，【( 肛- p d t ) f e ( c o ) 2 l 1 ) f e ( c o ) 2 l 2 ) 】【l 1 = p m e 3 ，l 2 = p m e 2 p h , 4 ；l 1 = p m e a ，= p p h 3 ，5 ；l 1 = p m e 3 ，= p c y 3 ，6 ；l 1 = p m e 3 ，= p ( o e t ) 3 ，7 ；l 1 = p m e 2 p h ，= p p h 3 ，8 ；l = p m e 2 p h ，l 2 = p ( o e t ) 3 ，9 ；l 1 = p ( o e t ) 3 ，l 上= p p h 3 ，1 0 ；l = p ( o e t ) 3 ，l 2 = p c y 3 ，1 1 】，并以同样的方法合成了与配合物5 类似的乙烷桥连接的配合物 【( 肛一e d t ) f e ( c o ) 2 ( p m e 3 ) f e ( c o ) 2 ( p p h 3 ) 】( e d t = e t h a n e l ，2 - d i t h i o l a t o ，1 2 ) 。x 光单晶衍射 表明在此类非对称双膦取代 2 f e 2 s 模型配合物中体积较大的膦配体倾向于占据顶位的 位置，而体积相对较小的配体处于基位；当两个配体体积均较大时，如配合物1 0 中的 p p h 3 和p ( o e t ) 3 ，此时两个配体均在顶位。电化学测试结果表明，在非对称双膦配体取 代的 2 f e 2 s 模型配合物中，不同膦配体对氧化还原电位的调变能力相差约2 0 0m v 。 通过配体取代将水溶性三羟甲基膦( t h p ) 引入到【2 f e 2 s 】模型配合物中，合成了单 取代配合物 ( p - p d t ) f e 2 ( c o ) 5 ( t h p ) 】0 3 ) 和双取代配合物 ( t t - p d t ) f c ( c o ) 2 ( t h p ) 2 】( 1 4 ) 。 配合物1 4 虽水溶性较好，但在空气中不稳定。配合物1 3 在纯水中溶解度很小，却能够 较好地溶于乙腈水混合溶剂。醋酸存在条件下，配合物1 3 在乙腈水( 1 ：1 ，v v ) 中电 催化质子还原活性远高于在纯乙腈溶液中的催化活性。配合物1 3 的晶体结构表明其在 空间上呈无限延伸的f e s o h f e s 的夹心结构，并且通过分子内和分子间o _ h o 氢键 构成波浪状无限延伸的二维网络结构，其中的左旋和右旋o - h o _ h 螺旋链交替分布。 通过膦配体取代将吡啶环作为分子内碱性基团引入到【2 f e 2 s 】模型配合物中，设计合 成了配合物 ( p , - p d t ) f e 2 ( c o ) 5 l 】( l = p h 2 p c h 2 a y ，1 5 ；p h 2 p p y , 1 6 ) 。在三氟甲磺酸作用下， 循环伏安法测定其第一还原电位分别向正方向移动3 6 0 和4 9 0m v ，推测是由于吡啶氮 原子发生质子化。分离得到配合物1 5 和1 6 的质子化产物1 9 和2 0 ，并通过x 光单晶衍 射确定了配合物1 9 和2 0 空间结构。为了增加此类含吡啶基团二铁二硫配合物中f e f e 键的碱性，以利于俘获质子，论文设计合成了双取代配合物 配体对 2 f e 2 s 模型配合物结构与性质的影响 【( 肛- p d t ) f e ( c o ) 2 ( p m e 3 ) f e ( c o ) 2 l 】( l = p h 2 c h 2 p y , 1 7 ；p h 2 p p y , 1 8 ) ，通过低温核磁( 一5 5 o c ) 滴定和原位红外光谱( 一1 0o c ) 跟踪了配合物1 8 在三氟甲磺酸存在下的质子化过 程。研究表明，配合物1 8 在三氟甲磺酸的作用下首先发生在f e - f e 键之间，最终生成 双质子化物种 1 s h y h 2 + ，该双质子化物种只能在低温下检测到；在室温下不稳定，容 易分解。 通过f e 2 ( c o ) 9 与过硫酯磊i i 石添或磊西西五石晶在四氢呋喃中室温反应将含吸 电性基团( c = o ) 的刚性共轭桥连结构引入到 2 f e 2 s 模型配合物中，设计合成了配合物 【“一s c d - h 一2 一( c o ) s i , t f e 2 ( c o ) 6 ( 2 1 ) 和【肛- 2 - s c s h 3 n 一3 - ( c o ) s p f e 2 ( c o ) 6 ( 2 2 ) 。电化学研究 表明含吸电性基团( c = o ) 刚性共轭桥连结构能够降l g 2 f e 2 s 模型配合物的还原电位， 其中配合物2 2 的第一还原电位为一1 1 8v ( 饿f c f n ，比配合物2 l 低1 0 0m v 。 所有合成的 2 f e 2 s 模型配合物均通过红外光谱、核磁、质谱和元素分析的表征。其 中配合物4 - 6 、8 1 0 、1 2 和1 5 - 2 2 通过x 光单晶衍射测定了空间结构。 关键词：生物无机化学；铁铁氢化酶；【2 f e 2 s i 配合物；配体取代；膦配体 大连理工大学博士学位论文 t h ee f f e c to f l i g a n do nt h es t r u c t u r ea n dp r o p e r t yo f 【2 f e 2 s 】m o d e lc o m p l e x e s a b s tr a c t 【f e f e 】h y d r o g e n a s e si nm i c r o o r g a m i s m sc a l lr e v e r s i b l yc a t a l y z et h ep r o t o nr e d u t e f l o nf o r h y d r o g e ne v o l u t i o n s t u d i e so l lt h ec r y s t a ls t r u c t u r e so ft h ee n z y m e ss h o wt h a tt h ea c t i v es i t e o f f e f e 】h y d r o g e n a s e sf e a t u r e sas q u a r e - p y r a m i d a lb u t t e r f l yc o o r d i n a t i o ng e o m e t r y ，w h i c hi s q u i t e s i m i l a rt ot h a to ft h e r e p o r t e do r g a n o m e t a l l i cc o m p l e x e s f o r m u l a t e d 嬲 f e 2 ( r t , - s r ) 2 ( c o ) 6 _ i 】t h es i m p l es t r u c t u r ea n dt h eh i g he f f i c i e n c ya t t r a c tt h eg r e a ti n t e r e s t o fs y n t h e s i sr e s e a r c h e r s t h e yt r yt oe x p l o r et h ec a t a l y t i cm e c h a n i s mf o rp r o t o nr e d u t e f l o na n d e v e n t u a l l yf i n dc h e a pa n de f f i c i e n tc a t a l y s t sf o rh y d r o g e np r o d u c t i o nb ym i m i c k i n gt h e s t r u c t u r eo ft h ea c t i v es i t e i nt h i st h e s i s ，t h ee f f e c to fl i g a n de x c h a n g eo nt h es t r u c t u r ea n d p r o p e r t yo ft h ed i i r o nd i t h i o l a t ec o m p l e x e sw e r es t u d i e d as e r i e so fu n s y m e t r i c a l l y d i p h o s p h i n es u b s t i t u t e d 2 f e 2 s m o d e lc o m p l e x e s , 【( 肛- p d t ) f e ( c o ) 2 l 1 f e ( c o ) ：l z 】吐 d r = p r o p a n e - 1 ，3 d i t h i o l a t o ；l i = p m e 3 ，= p m e 2 p h ，4 ； l 1 = p m e 3 ，= p f h 3 ，5 ；l 1 = p m e 3 ，= p c y 3 ，6 ；l i - p m e 3 ，r = p ( o e t h ，7 ；l 1 = p m e z p h , = p p h 3 ，8 ；l 1 = p m e 2 p h , = p ( o e t ) 3 ，9 ；l 1 = p ( o e t ) 3 ，r = p p h 3 ，1 0 ；l 1 = p ( o e t ) 3 ，= p c y 3 ，1 1 】a n dl i ( w e d t ) f e ( c o ) 2 ( p m e 3 ) f e ( c o ) 2 ( p p h 3 ) 1 ( e , d r = e t h a n e l ，2 一d i t h i o l a t o ，1 2 ) w e r es u c c e s s f u l l ys y n t h e s i z e db ys t e p w i s ep h o s p h i n el i g a n dr e p l a c e m e n t , x - r a ys i n g l ec r y s t a l d i f f r a c t i o nr e v e a l st h a tb u 】k yp h o s p h i n el i g a n dp r e f e r st h ea p i c a ls i t e 。w h i l et h es m a l l e ro n e c o o r d i n a t e sa tt h eb a s a ls i t e w h e nt w op h o s p h i n el i g a n d s ，i e ，p p h 3a n dp ( o e t ) 3i nc o m p l e x 1 0 ， a l eb o t hb u l k yf i g a n d s , a na p i c a l a p i c a lc o o r d i n a t i o nc o n f o r m a t i o ni s p r e f e r r e d e l e c t r o c h e m i s t r yr e s u l t si n d i c a t e dt h a td i f f e r e n tp h o s p h i n el i g a n d sl e dt oc a 2 0 0m v d i f f e r e n c ef o rt h er e d o xp o t e n t i a l so ft h eu n s y m e t r i c a l l yd i p h o s p h i n es u b s t i t u t e dc o m p l e x e s m o n o -a n dd i s u b s t i t u t e d c o m p l e x e s ，【1 0 t - p d t ) f e 2 ( c o ) 5 ( t h p ) 】( 1 3 ) a n d 【( p p d t ) f e ( c o ) 2 ( t h p ) 2 1 l ( 1 4 ) ，w e r es y n t h e s i z e df o rt h ep u r p o s eo fi n t r o d u c t i o no faw a t e r s o l u b l ep h o s p h i n el i g a n d , t r i s ( h l y d r o x y m e t h y l ) p h o s p h i n e ( t h p ) ，t ot h e 【2 f e 2 s 】m o d e l c o m p l e x d i s u b s t i t u t e dc o m p l e x1 4p o s s e s s e sg o o dw a t e rs o l u b i l i t yi nw a t e ra n db a ds t a b i l i t y i na i ra t m o s p h e r e c o m p l e x1 3h a sp o o rs o l u b i l i t yi np u r ew a t e rw h i l ei tc a nb ed i s s o l v e di n c h 3 c n h 2 0m i x e ds o l u t i o n t h ec a t a l y t i ca c t i v i t yf o rp r o t o nr e d u c t i o no fc o m p l e x1 3i n c h 3 c n h ：2 0 ( 1 ：l ，v v ) i sh i g h e rt h a nt h a t i np u r ec h 3 c ni nt h e p r e s e n c eo fh o a c i n d e f i n i t e l ye x t e n d e ds a n d w i c hf e s o h f e sp a c k i n gm o d ei k sf o u n di nt h ep a c k i n gd i a g r a m o fc o m p l e x1 3 w a v i l ya s s e m b l e dt w od i m e n s i o n a ln e t w o r k sa r ec o n s t r u c t e db yi n t r a - a n d l l i - 配体对【2 f e 2 s 】模型配合物结构与性质的影响 i n t e r m o l e c u l a ro h oh y d r o g e nb o n d s r i g h t - a n dl e r - h a n d e do h o hh e l i c a lc h a i n s a 咒a l t e r n a t e l ya r r a n g e di nt h ee x t e n d e d n e t w o r k p h o s p h i n el i g a n d sf e a t u r i n ga ni n t e r n a lb a s eo fp y r i d i n e r i n gw e r ei n t r o d u c e dt o t h e 2 f e 2 s 】m o d e lb ys y n t h e s i so f c o m p l e x e s ( p - p d t ) f e 2 ( c o ) s l 】( l = p h 2 p c h 2 p y , 1 5 ；p h 2 p p y , 1 6 ) p o t e n t i a ls h i f t so f3 6 0a n d4 9 0m vt op o s i t i v e d i r e c t i o nw e r ef o u n df o rt h ef i r s t r e d u c t i o n so fc o m p l e x e s1 5a n d1 6 ，r e s p e c t i v e l y ，i nt h ep r e s e n c eo fh o t f i ti sp r o p o s e dt h a t t h ea n o d i cs h i f t sa 他c a u s e db yt h ep r o t o n a t i o no ft h ep y r i d y l - na t o m si np h 2 p c h 2 p ya n d p h 2 p p y p r o t o n a t e ds p e c i e s ( 1 x - p d t ) f e 2 ( c o ) s l o t t q ( l2 【p h 2 p c h 2 p y h + , 1 9 ；【p h 2 p p y h + ， 2 0 ) w e r ei s o l a t e da n dc h a r a c t e r i z e d b yx - r a y c r y s t a l d i f f r a c t i o n c o m p l e x e s 【( p - p d t ) f e ( c o ) 2 ( p m e 3 ) f e ( c o ) 2 l 】( l = p h 2 c h 2 p y ，1 7 ；p h 2 p p y ，1 8 ) w e r es y n t h e s i z e df o r t h ee n h a n c e m e n to nt h ep r o t o p h i l i c i t yo ft h ef e f eb o n d sw h i l er e m a i n i n gt h ep y r i d i n er i n g a sa ni n t e r n a lb a s ei nt h es a m em o l e c u l a r l o wt e m p e r a t u r en m r ( - 5 5o c ) t e c h n i q u e sa n di n s i t ui r ( - 1 0o c ) s p e c t r o s c o p yw e r eu s e dt ot r a c et h ep r o t o n a t i o np r o c e s so f c o m p l e x1 8i nt h e p r e s e n c eo fs t r o n ga c i d ( h o t f ) t h er e s u l t ss h o w e dt h a tc o m p l e x1 8w a sp r o t o n a t e df i r s to n t h ef e - f eb o n d t h ed o u b l yp r o t o n a t e ds p e c i e s 【l s h y h 计w a sf o r m e da n dd e t e c t e da tl o w t e m p e r a t u r ew h i l ei tw o u l dd e c o m p o s e da tr o o mt e m p e r a t u r e i no r d e rt ot u n et h er e d u c t i o np o t e n t i a lo ft h e 【2 f e 2 s 】c o m p l e x ，t h er i g i da n dc o n j u g a t e d b r i d g ec o n t a i n i n gt h ee l e c t r o nw i t h d r a w i n gg r o u p ( c = o ) w a si n t r o d u c e dt ot h e 【2 f e 2 s 】m o d e l c o m p l e x e sm s c 6 h 4 - 2 一( c o ) s j _ t f e 2 ( c o ) 6 ( 2 1 ) a n d 【肛一2 一s c 5 h 3 n - 3 一( c o ) s - i 上 f e 2 ( c o ) 6 ( 2 2 ) w e r ep r e p a r e db yt h er e a c t i o n so ff e 2 ( c o ) 9a n dc 6 h - 2 - ( c o ) o r 5 s c 5 h 3 n 3 - ( c 0 1 s i nt h fa t r o o mt e m p e r a t u r e ，r e s p e c t i v e l y x - r a yc r y s t a ld i f f r a c t i o nc o n f i r m st h ep l a n es t r u c t u r eo ft h e b r i d g ei nc o m p l e x e s2 1a n d2 2 t h er e s u l t so fe l e c t r o c h e m i s t r yi n d i c a t et h a tt h er i g i da n d c o n j u g a t e db r i d g ei n d e e dr e s u l t si nt h ep o s i t i v es h i f to ft h er e d u c t i o np o t e n t i a l s t h ef i r s t r e d u c t i o ne v e n to fc o m p l e x2 2a p p e a r sa t - i 18v ( v 鼠f c f c + ) ，w h i c hi s10 0m vp o s i t i v et h a n t h a to f c o m p l e x2 1 a l ls y n t h e s i z e dd i i r o nd i t h i o l a t ec o m p l e x e sw e r ec h a r a c t e r i z e db yi r , n m r , m sa n d e l e m e n t a la n a l y s i s s t r u c t u r e so fc o m p l e x e s4 6 ，8 一l o ，1 2 ，a n d1 5 - 2 2w e r ed e t e r m i n e db y x r a ys i n g l ec r y s t a ld i f f r a c t i o n k e yw o r d s ：b i o i n o r g a n i cc h e m i s t r y ； f e f e lh y d r o g e n a s e ；【2 f e 2 s lc o m p l e x ；l i g a n d r e p l a c e m e n t ；p h o s p h i n el i g a n d i v 独创性说明 作者郑重声明：本博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，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 对本研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：巷平日期：翌坌：芝：乡 大连理工大学博士研究生学位论文 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。 作者签名奎主： 作者签名：整 导师签名： 大连理工人学博士学位论文 引言 由于石油、煤炭等目前大量使用的传统化石能源储量有限，进入2 l 世纪，伴随着 人们对能源需求的增加。为了避免传统能源枯竭造成严重的能源危机，目前美国、加拿 大、日本、欧盟等都在积极开发如太阳能、风能、海洋能等可再生新能源。氢气作为一 种清洁、高效的能源载体引起人们越来越多的关注。目前已经研制成功以氢气为燃料的 动力机车。但是要想更好地利用氢能造福人类，首先要解决的是氢气来源问题。目前， 工业制氢的主要方法包括：1 ) 电解水制氢；2 ) 以天然气、石油和煤等矿物燃料为原料， 在高温下使之与水蒸气反应制氢。这些制氢方法在工艺上都比较成熟，在今后仍将是规 模制备氢气的主要方法；但是由化石能源和电力来换取氢能，在经济上和资源利用上并 不合适。最近几年，生物质气化制氢和甲醇重整制氢技术等方法的研究已取得较大进展， 但是依然不是最理想的制氢方式。以水为原料制氢，可使氢的制取和利用实现良性循环， 取之不尽，用之不竭。因此，如何设计研制出高活性、低成本以水为原料催化产氢的催 化剂是全世界化学家所面临的一个具有挑战性的课题。 1 8 9 1 年，人们发现某些厌氧微生物体内的某种物质能够分解甲酸产生氢气和二氧化 碳。19 31 年，s t e p h e n s o n 和s t r i c k l a n d 将其命名为氢化酶。氢化酶是一类存在于微生物 体内的生物酶，它能高效可逆地催化氢气的氧化还原反应：2 h + + 2 e h 2 。1 9 7 4 年， c h e n 和m o r t e n s o n 首次从巴氏梭菌中分离得到纯化的氢化酶。1 9 9 8 至1 9 9 9 年，p e t e r s 和f o m e c i l l a 等人分别从c l o s t r i d i u mp a s t e r u r i a n u m ( c p i ) 和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 ) 中提取出了铁铁氢化酶蛋白，并得到分辨率分别为1 8 和1 6a 的晶体结构，较 清晰地给出了铁铁氢化酶活性中心的结构，为铁铁氢化酶的化学模拟提供了基本依据。 近十年来，生物无机化学家在化学模拟铁铁氢化酶活性中心方面做了大量的工作， 合成了许多类似的【2 f e 2 s 及 2 f e 3 s 配合物作为铁铁氢化酶活性中心的结构和功能模 型，并对其电化学催化质子还原产氢性能进行了广泛的研究，提出了多种可能的催化机 理，为逐步揭示铁铁氢化酶活性中心的结构和催化机理提供了实验佐证。但是到目前为 止，仍有很多基本的问题没有解决。比如：活性中心铁周围的配体改变对模型配合物本 身空间结构、电化学性质以及配合物的水溶性会产生怎样的影响? 分子内亲质子的碱性 基团出现在除桥头以外的其他位置对电催化质子还原性能的影响? 能否通过改变两个 硫原子之间的连接桥降低模型配合物的还原电位? 围绕以上问题，本论文通过配体取代 反应合成了一系y i 2 f e 2 s 配合物，研究考察了铁原子周围配体的改变对配合物结构和性 质的影响。 配件对f 2 f e 2 s 】模型配物l 自构i 性质的影响 1 文献综述 11 铁铁氢化酶活性中心的结构 近年米，随着生物无机化学以及相关领域的e 速发展，蛋白质晶体培养以及结构解 析成为人们认识生物酶微观结构的重要于段。i 9 9 8 年，美国科学客p e t e r s 研究组从 c l o s t r i d i u mp a s l e r u r i a n u m ( c p l ，巴氏梭菌忡提耿出了。类铁铁氧化酶噩白，并得到了 高分阱品伴结构，分辨率为18a ，该研究结果发表在s c i e n c e 上，其所得到的铁铁氧化 酶晶体结构幽蛐图ll ( a ) 所示。1 9 9 9 年，f o n l e c i l l a 等人报道了从d e s u 坳v i b r i o d e s u 船r i c a m - ( d d h ，脱硫脱硫弧菌) 中所提取的铁铁氢化酶蛋白的晶体结构，分辨率达到 16 a ，见恻l l ( b ) “。 叠殛 簿 u l 。? 。 蛾。 8 一a k 黑 ”4 电一 abc 目11 ( 吣巴氏梭蔼铁铁氢化酶；t b ) 脱硫弧铁铁氢化酶，( c ) 铁铁氯化酶中的铣硫旗 f i g ii ( a ) 【f e f e h y d r o g e n a s ef r o mc l o s t r i d i u mp a s t e r m n 州；( b ) 【f e f e 】h y d r o g e n a s e f r o m d e s u 肌m i b i r o d “帕r i c a n s ；( c ) f e sc l u s t e r s i n 【f e f e 】h y d r o g e n a s e s 通过晶体衍射分析发现从这两类不同有机生物体中得到的铁铁氢化酶具有几乎十日 司结构的活性中心，都含有i 个4 f e 4 s 簇和+ 6 f e 6 s i 簇结n j 。在生物体系巾，4 f e 4 s 簇通常作为传递电子的通道，而 6 f e 6 s 结构被队为是铁铁氢化酶结构中的活性部分，由 一个 4 f e 4 s 立方烷通过半胱氢酸的硫原子与一个 2 f e 2 s 簇相连，被称为氧簇 ( h - c l u s t e r ) ，见目12 ( a ) 。其中的2 f e 2 s 部分是催化反应的活性部位，负责吸附质 子，生成氢气。2 f e 2 s 单元呈蝶状结构，其中的铁原子周围是准八面体的立体结构，也 叫做类四角锥构型。两个铁原予通过一个一硫醇桥连接，桥连铁原子的二硫配体由二个 大连理大学博十学位论立 饱和的轻原子连接。起初，人们认为这三个轻蟓子均为碳原子，也就是酏设桥配体为i ，3 一 业丙基( _ c h 2 c h 2 c h 2 _ ) h i 。但是随着理论计算和光谱研究的进一步深入，人们认为二硫 i 白j 的桥为2 - 氮朵一1 ，3 亚丙基( _ c h 2 n h c h 2 【5 。 。分子内碱性基| ；：| 的存在也有利十活性中 心捕捉周围环境中的质子。 b 幽12 铁铁氢化酶活性中心宝i j i 构( a ) 棒状模型斟；( b ) 化学结构幽 f i gl2 s t r u c t n r co l t h ea c t i v es i l eo f f e f e lh y d r o g e n a s e s 除积硫配体以外，晶体结构和自外研究口”都表明，在活性位上的2 f e 2 s 核中，每 个铁原子均j 一个末端的c n 和c o 配体配位，并通过个桥连的c o 连接吼存此之 前，人们通常认为这两类配体对乍物体有毒害作削，在不含有氢化酶的4 物体内从未发 现过。f ef e 键之叫的距离为26 0 26 2a ，具有典型的会属键特征i 比, 9 1 。牡小不随铁 原子的氧化还原态变化而改变。而通过化学模拟得到的氢化酶模型化合物tn 通常在有 c n 一和c o 配体配位的 2 f e 2 s 纬构中f c f e 键长约为25 2a 。台宵桥羰基的氢化酶模型 化台物的f e f e 键长约为25 5 a ，史接近生物体内铁铁氢化酶中铁原子之问的键长i ”i 。 由此可见，桥羰丛和半胱氨酸配体在质子还原过程中起到了重要的作用。 表脱硫脱硫弧曲铁铁氢化酶红外特祉峰 t a bi1 c h a r a c t e r i s t i ca b s o r p t i o n si nf ti rs p e c t r ao f dd e s u 胁r i c a n s 堡_ ! 竺。生! ! 塑1 ) 型堇垦盟 2 1 0 6 ( s ) 2 0 8 7 ( s )2 0 0 8 ( 0 ，1 9 8 3 ( s ) ，1 8 4 8 ( s ) 空气 j 2 0 9 5 ( w ) ，2 0 7 9 ( w 】2 0 1 6 ( w ) ，1 9 7 2 ( w ) ，】9 6 5 ( s ) ，1 9 4 0 ( s )h i 协r 2 0 9 6 ( 0 ，2 0 8 8 ( s )2 0 1 6 ( 0 ，1 9 7 i ( s ) ，i9 6 4 ( 0 ，l8 1 i ( s )c o 2 0 7 9 ( w ) ，2 0 4 i ( w ) 19 6 5 ( w ) ，1 9 4 i ( w ) ，1 9 1 6 ( w ) ，1 8 9 4 ( 5 ) h 2 。黔登略婊 ，笆p 配体对 2 f e 2 s 模型配合物结构与性质的影响 表1 1 列出了在不同测量条件下，配体c n - 和c o 的红外特征峰随着氢簇中心铁的 价态变化发生的位移。红外光谱上的特征变化主要是由于活性中心桥连羰基的形成而引 起的。同时配体不同亦可引起 2 f e 2 s 结构电子云密度变化，进而影响了配位的羰基、氰 基与铁之间的电子反馈，具体表现为配体特征峰发生变化。因此，可以根据c 盯和c o 红外特征峰的变化推断 2 f e 2 s i 结构中铁的氧化还原价态变化以及判断 2 f e 2 s 结构中相 关配体取代的特征峰型。 1 2 铁铁氢化酶的催化产氢机理 自然界中微生物体内进行的催化质子还原产氢过程能够在温和的条件下以很高的 效率进行。据报道，氢化酶的每个活性中心每秒能产生6 0 0 0 9 0 0 0 分子氢气【3 ，l l ，1 2 j 。因 此，如果能够清楚地解释铁铁氢化酶在微生物体内催化质子还原的机理，对于合成化学 家的化学模拟以及高活性催化制氢催化剂的开发将具有十分重要的意义。 铁铁氢化酶催化产氢的过程中涉及到两个质子以及两个电子的传递过程。其中电子 通道主要由 4 f e 4 s 簇实现，如图1 1 ( c ) 所示。【f e s 簇空间距离在8 一1 7a 之间，相互作 用的 f s 4 b 】， f s 4 a 和 h c 】通过其周围的氨基酸和水分子的共价键或者氢键在两个氢簇 之间顺序连接形成电子传递通道，连接点处的 f s 4 b 接收从 f e s 2 的 2 f e 2 s 簇和 f s 4 c 】 的 4 f e 4 s 簇传递而来的电子，从而实现了电子进入铁铁氢化酶的活性中心并将质子还 原。因为 f e s 2 和 f s 4 c 接近蛋白质表面，所以很可能是生理上初始的电子受体【l j 。 在生物体系中大量存在的是水的体系，在铁铁氢化酶的结构中存在一条亲水的通 道，这条通道负责将体系中大量存在的质子在接近中性的条件下运送到氢化酶的活性中 心。关于质子与活性中心的作用方式，p e t e r s 等人在比较了巴氏梭菌和脱硫脱硫弧菌中 铁铁氢化酶活性中心周围的氨基酸残基后认为：半胱氨酸( 巴氏梭菌中的c y s 2 9 9 和脱 硫脱硫弧菌中的c y s l 7 8 ) 与空配位的f e 2 形成弱键作用，将外界质子摆渡到活性中心 上( 图1 3 ) 1 3 j ，在活性中心得到电子还原质子产生氢气。 人连理r 太学博士学位论文 “” m 蠡“0 o 磺“1 尽臻浮l y ”审3 二。多彰。 ”令爹。”令譬“ “。砑-i-si 。鼋5 。 j 6 歹爹”令肇 通过对自然界巾铁铁氢化酶活忖! 中心的研究，科学家发现目前已知的这两种铁铁氧 化酶的氧簇具有近乎相同的电子结构。在催化循环过程中，氯簇表现为其有二种不h 电 配体对 2 f e 2 s 模型配合物结构与性质的影响 子态的氢簇结构，分别为完全还原态( h 佗d ) ，完全氧化态( h o x a r ) 及一氧化碳条件下的部分 氧化态( h 呶c o ) ，如图1 4 所示。 寤卜t 器卜 1 陪一 眠- 们1 仆 窜厶g 。爿仁二口 器“霞e 黟 其中完全氧化态和完全还原态没有e p r 响应，部分氧化态具有顺磁性，s 为1 2 ， 可以通过e p r 检测到4 。通过m g s s b a u e r 、f t i r 和e p r 等光谱对c p i 和d d h 进行研究， p o p e s c u 和m i i n c k 等人认为在三种不同电子态下，【4 f e 4 s 簇由两个二价铁原子和两个三 价铁原子组成， 4 f e 4 s 簇的氧化还原态为_ 2 ”【1 5 , 1 6 。也就是说，在催化过程中，f 4 f e 4 s 1 簇的价态始终不变，而仅仅是 2 f e 2 s 单元的价态发生变化，因此，【2 f e 2 s 单元起着催 化质子还原产生氢气的作用。m t i n c k 等人还推断还原态h 佗d 具有反磁性， 2 f e 2 s 单元 也许是由两个低自旋的二价铁( f e u ) 组成，而其氧化态h o x c 0 为顺磁性( s = 1 2 ) 。密度泛 函理论( d f t ) 计算也表明氧化态h o x 为混合价态的f e l f e u ，经过单电子的还原和质子化 连理一大学 尊十学倚论文 后，得到h f e2 f e “。冈此，在全部催化循环的过程中，2 f e 2 s 单元的氧化还原态有可能 经历如下的过程：f e ”f e “f e ”f e l “h f e 。1 1 f e ”或f e l f e l h f e l f e “h f e i i f e ”。d e l a c e y 等人 通过”c o 标记研究表明铁铁氧化酶活性t p 心确实具有f e f e “的特征”i 。 2 f e 2 s 1 单元巾f e 2 原子的许多特征表明f e 2 为产氧反应发牛的潜在位点，例如，f e 2 被大量的疏水基团包围，从而避免与溶剂接触；同时，相列于铁原子上的其它配体，与 f e 2 原子配位的h t o 分子报容易被取代形成一个催化位点| i 。催化还原质子产氢的过程 中，a r 能涉及两种途径。一是水分子取代后，形成一个空位点，在h + 存在下，形成末 端负氢配位的中i 可体，再。次质于化形成h z 配位的中间体，在一定电位f ，释放出氢 气，完成一个催化循环。理沧训算研究表明氮杂桥中的n 原子q ，以作为一个质子结合的 位点，从而形成另条催化途径，如图15 所示。铁氢化酶的催化机理非常复杂，同前 还未达成共识，有待进一步研究。 13 铁铁氢化酶活性中心的化学模拟 帅m ：一r 羚 斟16 铁铁氢化酶 2 f e 2 s 模扳枉自然界的形成及化学模拟的研究进程 f i g 16 r e p r e s e n t a lj o n & t h e f o n n a t l o no f f 2 f e 2 s 1 i n t h ea c t i v es i t eo f f e f e 】h 2 a s e i nna t u r ea n d t h a to f c h e m i c a lm i m i c k i n g1 nc h e m i s t r yl a b o r a t o r i e s 大约4 0 亿年前，自然界中就已形成铁铁氢化酶的活性中心结构f 2 f e 2 s 1 模板叫。铁 铁氢化酶的晶体结构揭示了其活性中心2 f e 2 s 单元与双核铁羰基金属有机配合物 【( p - s r ) 2 f e 2 ( c o ) 6 具有极其相似的特征。因此对这类配合物的研究有助于理解活性中 一铋 蕊 q 嘭 配体对 2 f e 2 s 模型配合物结构与性质的影响 心的结构和性质。1 9 2 9 年，r e i h l e n 等人首次报道了这类配合物的合成引。2 0 世纪8 0 年代以来，双核铁羰基配合物【( 肚s r ) 2 f e 2 ( c o ) 6 】得到了广泛的研究，s e y f e r t h 的研究组 对这类配合物的合成建立了系统的方法【1 9 1 。1 9