（应用化学专业论文）含碱基二铁二硫配合物的合成和电化学性质.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 氧化酶能够高效催化质子的还原和氧气的氧化。自从氧化酶的晶体结构被揭示以 来，氢化酶活性中心的结构和功能模拟引起了人们的广泛关注。对 2 f e 2 s 模型配合物结 构及电化学的研究，能够帮助人们更好地了解氢化酶活性中心的功能结构及产氢机理。 研究者普遍认为，在靠近氢化酶活性中心位置存在着分子内的碱基，这些碱基能够俘获 质子，辅助金属中心催化氢气的异裂或者氢气的生成。本论文通过向 2 f e z s 单元引入分 子内含氮碱基，合成了一系列二铁二硫配合物，希望分子内碱基的引入能够起到摆渡质 子的作用，即俘获溶液中的质子，并和负氢结合，形成氢键。 本文合成了卡宾吡啶多齿配体n h c m e p y ( 1 - m e t h y l - 3 ( 2 - p y r i d y l ) i m i d a z o l - 2 y l i d e n e ) 和n h c a i p i c i ( 1 ，3 一b i s ( 2 - p i c o l y l ) i m i d a z o l - 2 - y l i d e n e ) 。进而合成了不对称取代 2 f e 2 s 配合 物o x - p d t ) f e ( c o ) 3 l f e ( c o ) ( n 2l ) 】 (l = n h c m e p y ，2 ； n h c a i v i c 4 )和 ( 1 a - p d i ) f f e ( c o ) j f e l c o ) 2 ( n h c d f p l c ) 】( 3 ) 。研究表明，配合物2 和4 双铁中心的电子云 密度明显不 一；配合物2 表现出了高还原电位和低氧化电侈的特性，其还原峰呈半可逆 状态，说明其还原态比其它已报道的双取代 2 f e 2 s 配合物稳定；配合物2 在乙腈溶液中 能够高效催化质子( h o a c ) 还原。卡宾毗啶强供电子配体的引入使得配合物2 能够还 原质子( h o t f ) 生成铁氧化物1 2 n l l o t f l ，氯核磁研究表明该铁氧化物负氨h - 的化学位 移介于端位负氧和对称双取代配合物( r t p d t ) ( i t - h ) f e ( c o h ( p m e 3 ) 2 + 桥氛之间。 以( p s ) z f e 2 ( c o ) 6 为母体，合成了含分子内氮碱基的 n i f e 2 l 三核配合物 f e 2 ( c 0 ) 6 ( s ) 2 n i ( p h 2 p c h 2 h n r 】( r = ”b u ，9 ；p h ，1 0 ) 。红外研究发现，配合物9 和1 0 的f e - f e 键电子云密度比( p s ) 2 f e 2 ( c o ) 6 的高。镍周围配位形式为平面四边形。电 化学研究表明，配合物9 只表现出铁的氧化还原特性，在乙腈视窗范围内没有观察到镍 的氧化还原峰。配合物9 和三氟甲磺酸反应生成氮上质子化产物1 9 n l l o t q ，说明氮原 予能够起到俘获和摆渡质子的功能。尽管质子化部位距离铁中心比较远，但仍影响到铁 中心的性质，使得与铁配位的羰基红外吸收峰发生蓝移，循环伏安图中质子化物种的第 一还原峰向阳极方向移动了3 3 0m v 。 配合物2 、1 2 h i i o t q 、3 、4 、9 、1 9 n l l o t q 和1 0 未见文献报道，通过红外光谱， 核磁、x 射线单晶衍射和元素分析( 1 2 h i i o t f i 和1 9 1 1 1 i o t f l 未做元素分析) 进行了表征。 关键词：氢化酶；二铁二硫配合物；卡宾吡啶配体；镍铁异核配合物；分子内碱基 大连理二f ：大学硕七学位论文 s y n t h e s i s ，c h a r a c t e r i z a t i o na n de l e c t r o c h e m i c a lp r o p e r t i e so fd i i r o n d i t h i o l a t ec o m p l e x e sw i t ht h ei n t e r n a lb a s i cn i t r o g e ns i t e a b s t r a c t h y d r o g e n a s ee n z y m e sc a ne f f i c i e n t l yc a t a l y z et h er e d u c t i o no f p r o t o no rt h eo x i d a t i o no f h y d r o g e n s i n c et h ec r y s t a ls t r u c t u r eo fh y d r o g e n a s e sw a sp u b l i s h e d ，m o r ea n dm o r ee f f o r t s h a v eb e e np u to nt h eb i o - i n s p i r e ds t r u c t u r a i f i m c f i o n a lm o d e l so fh y d r o g e n a s e s t h r o u g ht h e s t r u c t u r a la n de l e c t r o c h e m i c a ls t u d i e so fd i i r o nd i t h i o l a t ec o m p l e x e s p e o p l ec a nm a k et h e c a t a l y t i cm e c h a n i s mf o rh y d r o g e n a s e sc l e a r i ti st h o u g h tt h a tt h ea c t i v es i t e si nb o t hi r o n o n l y a n dn i c k e l - i r o nh y d r o g e n a s e sp o s s e s sa l li n t e r n a lb a s en e a rt h em e t a l l i cc a t a l y t i cc e n t e r s w h i c hc a na s s i s tt h eh e t e r o l y t i cc l e a v a g eo fh y d r o g e na n dt h eh hb o n df o r m a t i o nb e t w e e na p r o t o na n dah y d r i d e i nt h i st h e s i s ，as e r i e so fd i i r o nd i t h i o l a t ec o m p l e x e sw i t ht h ei n t e r n a l b a s i cs i t e 硒ap r o t o nr e l a yw e r es y n t h e s i z e da i m i n ga tp r e p a r i n gs t r u c t u r a l f u n c t i o n a lm o d e l s f o rh y d r o g e n a s e s t w oa s y m m e t r i c a l l yd i s u b s t i t u t e dd i i r o nc o m p l e x e s ( i t - p d t ) i f e ( c o ) 3 】【f e ( c o ) ( t 1 2 - l ) 】( l = 1 - m e t h y l 3 一( 2 一p y r i d y l ) i m i d a z o l - 2 一y l i d e n e ( n h c m e p y ) ，2 ； l ，3 一b i s ( 2 p i c o l y l ) i m i d a z o l 一2 一y l i d e n e ( n h c d t p i c ) ，4 ) a n dam o n o s u b s t i t u t e dd i i r o nc o m p l e x ( “一p d t ) 【f e ( c o ) 3 】【f e ( c o ) 2 0 q h c d i p i c ) 】( 3 ) w e r ep r e p a r e da sb i o m i m e t i cm o d e l so ft h ef e o n l y h y d r o g e n a s ea c t i v es i t e t h el a r g er a n g e so f t h eh i g h e s ta n dt h el o w e s tv ( c o ) f r e q u e n c i e so f 2 a n d4r e f l e c tt h a tt h er e l a t i v e l yu n e v e ne l e c t r o nd e n s i t yo nt h et w oi r o na t o m so ft h e2 f e 2 s m o d e lc o m p l e x e s2a n d4i sa st h a to b s e r v e df o rm o n o s u b s t i t u t e dd i i r o nc o m p l e x e so fg o o d d o n o rl i g a n d s t h ec y c l i cv o l t a m m o g r a m sa n dt h ee l e c t r o c h e m i c a lp r o t o nr e d u c t i o nb y2a n d 3w e r es t u d i e di nt h ep r e s e n c eo fh o a ct oe v a l n a t et h ee f f e c to fa s y m m e t r i c a ls u b s t i t u t i o no f s t r o n gd o n o rl i g a n d so nt h er e d o xp r o p e r t i e so ft h ei r o na t o m sa n do nt h ee l e c t r o c a t a l y t i c a c t i v i t yf o rp r o t o nr e d u c t i o n c o m p l e x2c a nr e a d i l yr e a c tw i t ht h eh o t ft o a f f o r dt h e p r o t o n a t e ds p e c i e s1 2 1 t l o t q t h e1 hn m rs t u d ys h o w st h a tt h ec h e m i c a ls h i f to ft h e h y r d r i d ei sa t - 1 0 5 4p p m w h i c hi sb e t w e e nt h ec h e m i c a ls h i f to f t h et e r m i n a lh y d r i d ca n dt h e b d d g e dp - h y d r i d eo f o t - p d t ) ( i x h ) f e ( c o ) 2 ( p m e 3 ) 1 2 + a sb i o m i m e t i cm o d e l sf o r t h ea c t i v es i t e so fi r o n - o n l ya n dn i c k e l i r o nh y d r o g e n a s e s ，t w o n e wt r i n u c l e a ri n i f e 2 】c o m p l e x e s 【f e 2 ( c o ) 6 ( 1 t 3 一s ) 2 n i ( p h 2 p c h 2 ) j n r 】( r = “b u ，9 ；p h ，1 0 ) c o n t a i n i n ga ni n t e r n a lm t r o g e nb a s ew e r ep r e p a r e d t h ce l e c t r o nd e n s i t yo nt h ei r o nc e n t e r so f c o m p l e x e s9a n d1 0i sm u c hd c h e rt h a nt h a to f t h ep a r e n tc o m p l e x ( 肛- s ) x f e 2 ( c 0 ) 6 n l er e d o x e v e n t so b s e r v e df o rt h e s et w o 【n i f e 2 】c o m p l e x e sa r ea s s i g n e dt ot h er e d o xp r o c e s s e so fi r o n i o nw i t h i nt h ea c e t o n i t r i l es o l u t i o nw i n d o w ( f r o m + 1 0 0t o - 2 5 0vv s a g a g + ) t r e a t m e n to f i l i 含碱摹二铁二硫配合物的合成和电化学性质 c o m p l e x9w i t hh o t fg a v e c o m p l e x f e 2 ( c o ) 6 ( “3 s ) 2 n i ( p h 2 p c h 2 ) 2 n h “b u ) o t f ( 1 9 1 4 】i o t f ) ，a n dt h ef i r s tr e d u c t i v ee v e n ti ss h i f t e dt oa n o d i cd i r e c t i o nb yc a 3 3 0m vi n c o m p a r i s o nw i t hc o m p l e x9 c o m p l e x e s2 ，1 2 h l l o t q ，3 ，4 ，9 ，【9 h l l o t f ia n d1 0h a v en o tb e e nr e p o r t e db yo t h e r g r o u p s t h e s ec o m p l e x e sw e r ec h a r a c t e r i z e db ye a ，1 hn m ra n di rs p e c t r a ( e o m p l e x e s 1 1 h l i o t q a n d1 9 h i i o t f lw e r en o td e t e c t e db ye a ) ，a n dt h em o l e c u l a rs t r u c t u r e so fa l l c o m o l e x e sw e r ed e t e r m i n e db yx - r a yc r y s t a ld i f f r a c t i o n k e yw o r d s ：f e - o n l yh y d r o g e n a s e ；d i i r o nd i t h i o l a t ec o m p l e x ；c a r b e n e p y r i d y ll i g a n d ； t r i n u c l e a r n i f e 2 】c o m p l e x ；i n t e r n a lb a s e i v 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，除了丈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： 大连理工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： 导师签名： 整堡：盈) 蛰! 垒墼 ， 年l 月- 2 丑。日泛 大连理t 大学硕士学位论文 引言 能源是社会经济发展不可缺少的动力，纵观社会发展史，人类经历了柴草能源时期、 煤炭能源时期和石油天然气能源时期，目前正向新能源时期过渡。进入2 1 世纪，人类 对于环境问题的关注达到了前所未有的热切程度。近年来，全球变暖的迹象日益明显， 空气污染的危害愈演愈烈，因能源问题引发的政治军事问题此起彼伏，能源危机的阴影 日益浓重。此时此刻，人们不得不行动起来，从不同角度，以不同的方式，解决能源问 题，来保护自身赖以生存的家园。解决能源问题要瞄准环境友好的、可再生的、原料丰 富且廉价的资源。目前，人们主要将眼光放在太阳能、水能、地热能、核能、氢能和潮 汐能等能源的开发和利用方面。水能、地热能、潮汐能受地理条件影响较大。从发展清 洁能源的角度来看，氢是最理想的载能体，氢本身是可再生的，且燃烧只生成水，可以 实现真正的“二氧化碳零排放”。氢与其它能源相比，还具有一系列突出的优点：氢的能 量密度高，是汽油的2 6 8 倍；氢适于管道运输，在各种能源中，氢的输送成本最低，损 失最小，甚至优于输电；氢和燃料电池相结合可提供一种高效、清洁、无传动部件、无 噪声污染的发电技术；氨气也能直接作为发动机的燃料。然而，由于本身动力学的限制， 制备氢气只有在高温条件下或有铂催化装置中才能实现。目前，传统制氢工艺有热化学 工艺和电解水工艺。 在这种情况下，设计合成高活性催化质子还原和氢气氧化的催化剂成为化学领域的 一项挑战。研究发现自然界有一种存在于厌氧微生物中的生物酶氧化酶，能够高效 催化质子还原生成氧气。1 9 9 5 年后相继报道了几种较高分辨率的氧化酶晶体结构，由此 其活性中心的结构已基本清楚，这为化学模拟氮化酶提供了基本依据，为在分子水平上 模拟氢化酶活性中心，研制出制氢成本低廉的高效催化剂奠定了基础。 根据金属酶的结构信息，合成与之类似的能够起到催化作用的配合物，可以模拟酶 活性中心的结构单元。然而，生物酶活性中心的微结构起着很重要的作用，纯粹的结构 模拟可能并不能得到催化活性很高的催化剂，除非能够将这种微结构也模拟出来。即使 有了酶活性中心的主要结构，还需要有能够将电子及所需物质传递到活性中心的辅助环 境。从另一个角度讲，如果能从生物酶活性中心得到启迪，在其活性中心骨架基础上进 行修饰并引入特定功能基团，建立一个仿生的而非单纯的结构模拟体系，这种模拟应该 称为仿生结构一功能模拟。对于氢化酶开展功能模拟是很有意义的，只有这样，我们才 能拓展研究范围，寻找到更实用的催化剂模型。 目前，尽管金属氢化酶的研究和化学模拟已经取得了一些进展，但是还有许多问题 需要研究解决。如：一、分子内碱基在生物酶催化质子还原过程中究竟起着怎样的作用， 含碱基铁= 硫配合物的合成和电化学性质 在铁原子周围引入碱基对 2 f e 2 s 配合物催化活性是否有影响? 二、生物体内氢化酶活性 中心结构是不对称的，那么不对称双取代 2 f e 2 s 配合物的电子云分布和催化性能与对称 双取代 2 f e a s l 酉g 合物相比有何优点? 三、如何设计氢化酶活性中心模型配合物，使其能 够更容易捕获和稳固质子? 基于这些问题，本文合成了含分子内碱基的不对称双取代 【2 f e 2 s i 鸵合物及 n i v e 2 三核配合物，并讨论了它们的结构特征和化学性质。 大连理工大学硕士学位论文 1 文献综述 清洁型可再生能源的开发，在经历了长时间徘徊不前的阶段之后，出现了加速发展 的势头，并且无数学者也在不懈地为社会进步寻找开发更新更安全的能源。近年来，氢 能逐渐成为能源科学界的宠儿，受到了各个国家的广泛关注，因而研制廉价高效的制氢 催化剂是开发和利用氢能的发展方向。自然界微生物体内存在的氢化酶为我们提供了可 以借鉴的模式，氢化酶是类存在于微生物体内的生物酶，它能够催化氢气氧化和质子 还原的可逆反应：2 h + + 2 e h h 2 。1 9 3 1 年s t e p h e i l ：s o n 和s t r i c l d a n d 把这种生物酶命名为 氧化酶。根据氧化酶活性中心所含金属的不同，这类酶可以分为唯铁氢化酶和镍铁氢 化酶。 利用氯化酶制氡，主要有两种趋势：一、直接利用氢化酶：利用基因改良的方法， 使微生物大量释放氧气1 2 l ：将分离得到的氯化酶与电子转移染料相混合，利用光敏染料 捕获光能，光致产氢【3 】；将氢化酶固载到电极表面，然后加入电子转移染料，在电化学 条件下催化还原制氢州。二、对已知的氢化酶活性中心结构进行化学模拟，通过人工合 成模拟自然界氢化酶氧化氢气和还原质子过程，得到廉价高效的质子还原催化剂【5 一j 。 由于化学合成可以修饰结构，具有潜在的实用性，所以氢化酶活性中心的化学模拟 得到越来越多化学家的关注。 1 1 氢化酶活性中心结构 根据氧化酶所含金属的不同，氢化酶大致分为唯铁氧化酶和镍铁氢化酶( 包括镍铁 和镍铁硒两类) 。唯铁氯化酶能够可逆催化质子还原产氢，聂铁氢化酶主要催化氧化氨 气为质子。其中唯铁氡化酶的产氧活性高，是镍铁氧化酶的1 0 - 1 0 0 一倍；在中性溶剂里， 单个唯铁氧化酶活性中心每秒钟能够催化质子还原生成6 0 0 0 _ 9 0 0 0 个氯气分子【7 1 。氢化 酶晶体结构的确定推动了氢化酶研究领域的发展，氢化酶活性中心的化学模拟已经成为 当今生物无机化学领域的研究热点之一。 近年来生物科学飞速发展，使生物酶结构和功能的研究得到很大的促进。1 9 9 5 年 f o n t e c i l l a - c a m p s 在自然上报导了镍铁氢化酶的晶体结构( 图1 1a ) 【& 9 1 。1 9 9 8 至1 9 9 9 年，p e t e r s , 和f o n t e c i l l a - c a m p s 等人分别报导了分辨率为1 8a 和1 6a ( 图1 1b ，c ) 的巴 氏梭菌唯铁氧化酶和脱硫脱硫弧菌唯铁氢化酶的晶体结构mi l 】。 含碱基二铁二硫配合物的合成和电化学性质 图1 1 ( a ) 脱硫弧菌镍铁氢化酶；( b ) 巴氏梭菌唯铁氢化酶；( c ) 脱硫脱硫弧菌唯铁氢化酶 f i g u r ei 1 ( a ) n i f eh y d r o g e n a s ef r o mng i g a s ；( b ) f e - o n l yh 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 i a n u m ； ( c ) f e - o n l yh y d r o g c n a s ef r o md e s u l f u r v i b i r od e s u l f u r i c a n s 。 1 1 1 唯铁氢化酶活性中心结构 通过巴氏梭菌氢化酶和脱硫脱硫弧菌氢化酶的晶体解析发现，其活性中心 ( h c l u s t e r ，氢簇) 的骨架结构由两个铁原子和两个硫原子构成，形成蝶状结构，也称 为类四角锥式结构( 图1 ，2 ) 。活性中心的 2 f e 2 s 结构主要由f e 原子的配体部分( c o 和 c n ) 和连接s 原子的桥连部分( a d t 或p d t ) 组成。一个 4 f e 4 s 簇通过半胱氨酸硫原子 与结构中的一个铁原子配位连接。晶体和红外光谱研究表明，在 2 f e 2 s 的骨架结构中与 铁原子配位的除【4 f c 4 s 】外还有c n 和c o 两类配体【n j 扪，它们通常被认为是对生物体有毒 害作用的基团。 x = h 2 0 0 r c o o fh 2 图1 2 巴氏梭菌唯铁氢化酶活性中心( 氢簇) 结构 f i g u r e1 2 s t e r e ov i e wo f t h ec p ih - c l u s t e r o n 在具有催化活性的 2 f e 2 s 结构中，与铁原子相互配位的两个硫原子由三个饱和的原 子连接，但是由于晶体解析的分辨率不够高，不足以确定连接两个硫配体的是c 、n 或o 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 原子。最初人们认为连接硫配体的是1 ，3 亚丙基( - - c h 2 c h 2 c h 2 一) 结构( p d t ) u “1 2 1 。 随着研究的日益深入，理论计算与晶体解析表明：连接两个硫原子的桥结构为2 氮杂1 ，3 亚丙基( 一c h 2 n h c h 2 一) 结构( 氮杂丙烷桥，a d t ) 的可能性更大”】，因为f e 原子 周围存在仲胺结构有利于捕获质子和氢气异裂 1 6 1 。一般认为： 4 f e 4 s 簇主要作用是电 子传递的通道，所以氯簇中将质子还原为氢气的应该是 2 f e 2 s 骨架结构。 唯铁氧化酶活性中心晶体结构的研究表明，在不同条件下，无论是氧化态还是还原 叁，f e f e 键长均在2 6 0a 和2 6 2a 之间【l o - 16 】，基本不随铁原子的氧化还原态改变两 改变。而通过化学模拟得到的氢化酶模型化合物中，通常有c o 和c n 配体取代的 2 f e 2 s 1 结构的f e - f e 键长约为2 5 2a 。由此可见，桥羰基和半胱氨酸配体在质子还原过程中，起 到了重要的作用。事实上含有桥羰基的氢化酶模型化合物的f e - f e 键长约为2 5 5a ，的确 更接近生物体内氢化酶铁原子之间的键长1 1 日。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位移【l 孔1 4 l 。这些变化表明氢化酶活性中心结构是 通过铁与配体之间形成的反馈冗键来维持键长稳定的。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 e 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 n 和c o 红外特征峰的变化推断 2 f e 2 s 结构中铁周围电子云密度的 变化。 1 1 2 镍铁氢化酶活性中心结构 镍铁氯化酶广泛存在于光合作用细菌cv i n o s u m 、酿酒酵母菌zr o s e o p e r s i c m a 和硫 化细菌d e s u l f o v i b r i og i g a s ( dg i g a s ) 中。从dg i g a s 中提取的镍铁氢化酶的晶体结构 已经被确定，其分辨率高达2 5 4a 【s 1 引。这种蛋白是一种非均相外周蛋白，以两个蛋白 亚单位存在，一个是大些的6 0 k d a ，一个较小的2 8 k d a ( 图1 3 ) 。这种蛋白总共含 有十二个铁原子，十二个硫原子和一个镍原子。十二个铁原子中的十一个组成了一个 3 f e 4 s 。邶和两个【4 f “s 】+ 卅。 3 f e 4 s 1 枷基团位于两个 4 f e 4 s 2 竹基团的中间。剩余的铁 和镍位于深埋在低能单元深处的酶活性中心处。线形的铁硫基团揭示了它们是酶活性中 心和分子表面电子通道的一部分。氢气的氧化过程双个电子过程，每一个电子都被单独 的移动到比较远的【4 f e 4 s 】”件簇，随后传递到细胞色素c 3 d g l 。 含碱基二铁硫配合物的合成和电化学性质 图1 3 镍铁氢化酶结构 f i g u r e1 3 s t r u c t u r eo f t h e n i - f e 】h y d r o g e n a s e 图1 4 镲铁氢化酶活性中心结构 f i g u r e1 4 s t n m t u r eo f t h ea c t i v es i t ei n 【n i f e 】h y d r o g e n a s e 在大量研究结果的基础上，人们对镍铁氢化酶活性中心结构( 图1 4 ) 已基本达成共 识【8 b 】：镍铁氢化酶为异二聚酶，两个亚基紧密相联形成一个近乎于球状的分子( 见图 1 3 ) ，活性中心在大亚基上( 6 0k d a ) 。与n i 配位的共有四个半胱氮酸，其中两个半胱 氨酸残基s 作为端基与n i 配位，余下的两个半胱氨酸残基s 在n i f e 之间形成桥联，f e 周 围不再有其它蛋白质的氨基酸配体，单独与f e 配位的有两个c 矿和一个c o 。c o 与c n - 所处蛋白质环境完全不一样，c n - 能与肽键中的_ n m 和氨基酸上的_ o h 形成氢键，而 一6 一 大连理1 = _ 大学硕十学位论文 c o 却只能与疏水的氨基酸残基相作用，n i f e 问还有一个含氧配体( 氧的类型还不能肯 定) 也参与成桥。 1 2 氢分子活化和产氢的机理 氢化酶的活性中心能够催化h 2 和2 e - + 2 w 之问的反应，溶液中电子电势接近标准 h + m 2 电势，这类反应只需要很低的电势驱动。 h 2 2 r + 2 e 一 可逆反应是个取电子转移 过程，与之相关的单元反应涉及到氢自由基或负氢离子的参与( 图1 5 ) 1 2 0 。 r h 和h r 的电位非常低。钯、铂和镍表面能够可逆吸附h 2 并且稳定地吸附h ，所以能以均裂方 式在较低的过电位下催化质子的还原和氢气的氧化。但是，在溶液中这些反应通常通过 催化剂稳定负氡离予，从而以异裂方式进行反应。 图1 5 质子还原牛成氢气不同反应过程屯势 f i g u r e1 5 p r o t o nr e d u c t i o n l od i h y d r o 鲫 就均相催化两言，产氧和氢活化的机理涉及到氢气的配位，金属氯化物的形成，双 电子转移三个过程。因此，配合物适合此类催化，它们能结合氧化还原态物质和酸式 碱式活性物。图1 6 给出了一般的反应机理图，顺时针方向为质子还原过程，逆时针方 向为氯气的氧化过程。根据h h 键的形成或断裂，分别给出了均裂和异裂的示意图1 2 l 】。 对于均裂机理而言，般要有两个金属催化中心。质子还原有两个关键步骤是可l ；：i 确定的：首先，两个金属同时被质子化形成金属氢化物；接着，金属氢化物发生还原消 除反应放出氢气。然而，单电子还原可能发生在质子化的金属也可能发生在金属氢化物 上。氢气氧化过程：氢气和一个金属配位或与两个金属形成桥氢，接着通过氧化加成反 应两个金属被质予化形成金属氢化物。对于这两种反应，金属处在氧化或还原的过渡态， 因此应避免脱质子反应的发生。对于异裂机理而言，产氢通过质子进攻金属氢化物方式 反应而不是像均裂机理中通过双金属氢化物形成分子氢配合物然后生成氢气。 含碱基二铁二硫配合物的合成和电化学性质 历遗 mi v m m m ” m 1 1 2 h 2 图1 6 质子还原生成氧气的两种途径：( a ) 均裂机理( 左) ；( b ) 异裂机理( 右) f i g u r e1 6h o m o l y t i c ( 1 e n ) a n dh e t e r o l y f i c ( r i g h t ) p a t h w a y sf o rp r o t o nr e d u c t i o nc a t a l y z e db ya c o o r d i n a t i o nc o m p l e x ，鼹n 。 b ，应1 p 风丫5 刮 r i “卅一、c o l n 哕n l f r 一7 。 碟r n协9 n 令r 喙c o m ，柚澎5 m 。圈1 7 唯铁氢化酶和镍铁氯化酶活化氢气的可能机理 f i g u r e1 7h e t e r o l y t i cc l e a v a g eo f h y d r o g e na l o n gan e c l e o p h i l i ca d d i t i o np a t h w a yf o rf e - o n l ya n d n i - f eh y d r o g e n a s e s h a l l 等人提出了在a d t 活性中心结构中，桥头氮原子作为分子内碱基，无论从热力 学还是动力学上都是有利于氢气的异裂以及氢气的生成瞄1 。研究表明，桥n 原子l 土c n - 和s 基团更有利于f e h 5 - 5 + h - f e 分子氢键的形成( 图1 7 上) 。对于镍铁氢化酶而言， 氧气异裂通过亲核加成方式进行的，c y s 作为分子内碱基在该过程中起到了束缚质子的 大连理工大学硕七学位论文 作用。当与铁原子结合的氢气受至r j c y s 5 3 0 残基的进攻时，h h 键受到极化，与铁结合的 氢原子变成带负电荷的负氢，与s 原子结合的氢原子变成带正电荷的质子( 图1 7 下) 1 2 3 1 。 1 3 氢化酶活性中心的化学模拟 1 3 1 丙烷桥及乙烷桥【2 f e 2 s 】配合物的合成 从图1 2 可以看出，唯铁氢化酶活性中心的骨架结构是 2 f e 2 s 结构，最早对 2 f e 2 s 1 相关配合物的合成、结构和性能研究较多的是s e y f e r t h 等人。他们对此类配合物的结构 与活性作了深入地研究，并且合成了不同烷基取代的 2 f e 2 s 配合物，建立了便捷的合成 方法1 2 4 1 ，在此基础上，许多化学家开始模拟合成唯铁氢化酶活性中心结构，希望能够通 过人工模拟体系再现自然界的产氢过程。 1 9 9 9 年，r a u c h f u s s 和p i c k e t t 等人分别报道了双氰基取代的 2 f e 2 s 1 核模型配合物的 合成f 2 5 2 6 2 7 1 图1 8 给出了配合物 ( w s c h 2 c h 2 c h 2 s ) f e 2 ( c o ) 4 ( c n ) 2 】2 一的合成，此配合 物与唯铁氧化酶活性中心的结构非常相似，其红外光谱特征吸收亦相吻合。 。，k 。 图1 8 配a 物t ( - s c h 2 c h z c h 2 s ) f e 2 ( c o ) 4 ( c n ) 2 】2 一的合成示意图 f i g u r e1 童s y n t h e s i sr o u t ef o rc o m p l e x ( i t - s c h 2 c h 2 c h 2 s ) f e 2 ( c o ) 4 ( c n ) z 2 一 此后，越来越多的科学家投入到氢化酶的化学模拟合成工作中。其中具有代表性的 工作是由美国的d a r e n s b o u r g 和r a u c h f u s s 研究组完成的。r a u c h f i a s s 等人对羰基铁硫类 配合物进行了系统的合成研究，总结了此类反应的动力学和热力学规律，为唯铁氢化酶 活性中心的化学模拟提供了许多新的思路。成功地币玎用化学模拟配合物 【( w s c h z c h 2 c h 2 s ) f e 2 ( c o ) 4 ( p m e 3 ) ( c n ) 一，在一1v ( v sa g a g c l ) 电压下实现了催化还原 质子，制备出了氧气【2 引。研究证明了在催化还原质子的过程中，首先形成了f e - f e 键质 子化的中间体，然后氰基上接着发生质子化，促使还原电位降到一lv ( 图1 9 ) 。尽管 催化剂的寿命很短，但是为化学模拟催化制氢开辟了先河。 一9 一 含碱基二铁二硫配合物的合成和电化学性质 图1 9 【( p - s c h 2 c h 2 c h 2 s ) f e 2 ( c o ) 4 ( p m e 3 ) ( c n ) 一电化学催化质子还原机理 f i g u r e1 9 p o s s i b l e m e c h a n i s mo f e l e c t r o c h e m i c a lp r o t o nr e d u c t i o n f o r c o m p l e x 【( p - s c h 2 c h 2 c h 2 s ) f e 2 ( c o ) 4 ( p m e 3 ) ( c n ) - d a r e n s b o u r g 等人则从金属有机的角度模拟合成唯铁氢化酶的活性中心，从 2 f e 2 s 1 的结构入手，合成了类似结构的二铁配合物( “- s c h 2 c h 2 c h 2 s ) f e 2 ( c 0 ) 4 ( p m e 3 ) 2 ；成功地 合成了羰基双铁氢化物( 图1 1 0 ) ，并且利用h d 交换，推测了类似结构配合物形成氢 化物的可能机理删；利用配体c o 和c n - 在红外谱图中特征峰波数的变化，深入研究 了配体对结构化学活性的影响。该研究组还通过一种含氮类似立方烷( p t a ) 的水溶性 膦配体取代，合成了一种具有水溶性的铁硫配合物【3 ，并以醋酸为质子酸研究了它们的 电化学性质，发现在醋酸的作用下，配体上的氮原子上发生质子化，在更低的电位处出 现新还原峰，电位变化约为4 0 0m v ，并且电流随着酸浓度的增加而增大，表明催化质子 还原产氢。并发现在含有一定比例水的乙腈中的测试并没有影响它们的电化学性质，而 且p t a 配体的亲水性使得它与三甲基膦配位的配合物相对比电位降低了1 8 0 m v ，并推测 了后两种机理e c e c ( 电化学一化学反应电化学化学反应) 和e c ( 电化学。化学反应) 机 理。 图1 1 0 三甲基膦双取代 2 f e 2 s 氢化物的合成路径 f i g u r e1 1 0s y n t h e s i sr o u t ef o rp m e 3 一d i s u b s t i t u t e d 【2 f e 2 s 】h y d r i d es p e c i e s 加i门睡 队。蚶 + 薯一 ：盈 队。蝴 。k 勰 队。蚶 卜钾 箱 大连理：i = 大学硕士学位论文 孙立成课题组曾报导将氨基和羧基保护了的半胱氨酸引k 至i 2 f e 2 s 结构上，并考察 了半胱氨酸在氢化酶活性中心的质子还原过程中所起的作用p 2 】。该配合物的氧化还原电 位与一般的 2 f e 2 s 配合物的电位差别不大，说明被保护的半胱氨酸对f e 的还原电位没有 明显影响。但是，该化合物经过分子内环化得到配合物m - ( c y s ) z d t 】f e 2 ( c o ) 6 的反应表 明( 图1 1 1 ) ：【2 f e 2 s 中的硫原子具有亲核性，可以进攻分子内具有电正性的c 原子，是 一种自发的新型环化反应，为氢化酶活性中心桥联部分的形成提供了一种可能的机理。 r - e a a f i g u r a t i o ns - e 瑚f i g m a t i o n | 璺1 1 1 l 含半胱氨酸 2 f e 2 s 配合物的合成方法 f i g u r e1 lls y n t h e s i sr o u t ef o r 【2 f e 2 s 】c o m p l e xc o n t a i n i n ge y s t e i n er e s i d u e 从唯铁氮化酶活性中心结构可以看出，活性中心全合成关键是合成具有 2 f e 3 s 的核 心结构，p i c k e t t 等人最先合成了类似结构配合物f e 2 ( s 3 b z ) ( c o ) 3 ( c n ) 2 ，其红外特征峰和 单晶结构与天然唯铁氯化酶有相似之处【3 3 】。宋礼成研究组多年一直深入研究含有羰基配 位的铁硫化合物，在氧杂丙烷桥二铁二硫结构 ( i t - c h 2 0 c h 2 ) f e 2 ( c o ) 6 上，通过外源硫原 子与f e 原子配位，引入茂铁结构，得到了【3 f e 3 s 】结构配合物口4 】。这一结构为 2 f e 2 s l 骨 架结构连接电子传递通道 4 f e 4 s 簇，即氢簇的全合成奠定了基础。 2 0 0 5 年p i e k e t t 研究组在自然上首次报导了将 4 f e 4 s 簇连接到以丙烷桥 2 f e 3 s 】 为骨架结构的氢化酶活性中心模型化合物( 图1 1 2 ) 【3 5 】，其结构更接近生物体内的唯铁 氯化酶活性中心结构。其中化合物d 通过负离子电喷雾质谱和m 6 s s b a u e r 谱证实了其结 构，并通过泛函计算( d f t ) 模拟出了它的分子构型，这一氢化酶模型加深了我们对自 然界中这一神秘过程的理解，为全合成氢化酶活性中心结构提供了正确的指导方向。 ，甲嘞白扛8i 十。鼍 含碱基一铁二硫配合物的合成和电化学性质 玉二扣 时广簖一 图1 1 2 连接有 4 f e 4 $ 的骨架结构) b 2 f e 3 s 的氢化酶模型配