（化学工艺专业论文）新型no配体的合成及过渡金属酶的小分子模拟.pdf

新型n o 配体的合成及过渡金属酶的 小分子模拟 殷麦华 摘要采用三种不同类型二取代的毗唑基甲醇和邻氨基苯甲酸在弱碱性条件 下反应合成三种新的n o 配体( l l ，h l 2 ，l i l 3 ) ，同时将吡唑换成多氮的苯并 三氮唑合成了另一种新型n o g 体( r i l 4 ) 并得到了它的单晶。用这些配体与z n 、c o 、 n i 及c u 四种过渡金属的无机盐反应，合成了一系列未见报道的过渡金属配合 物。用红外、元素分析等手段对全部化合物进行了表征和研究。除用单晶x 射线 衍射法测定了新型配体( r i m ) 的晶体结构外，还测定了部分金属配合物的晶体结 构。经测定配体2 - ( n 苯并三氮唑一卜基甲基氨基) 苯甲酸( r i l 4 ) 属于单斜晶系，空 间群为p 2 ( 1 ) c ，晶胞参数分别为：a = 1 0 2 2 5a ，b = 1 5 6 6 9a ，c = 8 0 9 8as 配合 物2 1 c a 2 ( m p p m ) 4 ( c h 3 0 ) 2 】f n 0 3 h 单晶属于三斜晶系，空间群为p - 1 ，晶胞参数： a = 1 1 0 1 7 ( 6 1a ，b = 1 5 1 4 3 ( 9 ) a ，c = 1 4 9 0 6 ( 8 ) a 。值得一提的是，用( 3 - - 甲基5 - 苯基) 吡唑一1 堪甲醇作为配体得到的c u ( i i ) 的配合物2 l 中参与配位的配体是扣甲 基5 - 苯基毗唑，而非( 3 - 甲基5 - 苯基) 吡唑一1 一基甲醇，说明在反应过程中发生了 n c 键的断裂和断裂基团的迁移。 此外，本论文还对本课题组曾经设计合成的四种柔性n 2 0 三齿配体做了进一 步的研究，以过渡金属z n ( 1 1 ) 、c 0 0 0 、r , r i 0 0 及c u 0 i ) 等作为中心离子和以上配 体反应，得到了一系列新的过渡金属配合物。对所有配合物做了元素分析，傅立 叶红外等表征，对部分化合物的热稳定性进行了研究。用x - 射线衍射法对一种新 型的n 2 0 配体和两种金属配合物的单晶结构进行了测定，并详细分析了他们的分 子结构特点。配体h l 9 属于正交晶系，空白j 群p b c a ，晶包参数：a = 9 8 3 2 2a ，b = 1 2 1 0 9 ( 2 ) a ，c = 1 7 1 4 1 ( 3 ) a ：配合物c 0 2 0 , s ) 2 f n 0 3 ) 2 属于单斜晶系，空问群 p 2 ( 1 ) ，晶胞参数：a = 1 1 0 2 8 ( 4 ) a ，b = 1 6 8 8 5 ( 6 ) a ，c = 1 1 5 1 4 ( 4 ) a ；配合物 z n 2 ( l 8 ) 2 ( n 0 3 ) 2 h 2 0 属于三斜晶系，空间群p 1 ，晶胞参数：a = 8 6 6 3 ( 9 ) a ，b = 1 0 7 6 6 ( 1 1 ) a ，c = 1 0 7 7 4 ( 1 1 ) a 。这两种配合物均为双核配合物，其中双锌配合物 有一个对称中心；而双钴配合物上的两个硝酸根采取顺式双齿配位。最后，对三 种铜配合物f c u z ( m p p m ) 4 ( c 1 t 3 0 ) 2 1 叫o 毋2 ，【c 2 ( u ) 2 ( n 0 3 ) 2 i 2 c h ，o h 和 c u 2 0 l 9 ) 2 州0 3 ) 2 】2 c h 3 0 h 的催化性能进行了研究，结果表明它们具有类似儿茶酚 氧化酶的活性，在无氧条件下能将3 ，5 二叔丁基邻苯二酚催化氧化成相应的醌。 关键词：金属酶n o 配体过渡金属配合物晶体结构儿茶酚氧化酶模拟 d e s i g n ，s y n t h e s e sa n dc h a r a c t e r i z a t i o no ft h en o v e rn ol i g a n d sa n d t h e i rt r a n s i t i o n - m e t a lc a t i o n sc o m p l e x e s ：s m a l lm o l e c u l a rm o d e l sf o r a c t i v es i t e so fm e t a l l o e n z y m e s m a i h u ay i n a b s t r a c t ：i nt h i st h e s i sf o u rn o v e ln ol i g a n d sw i t hp y r a z o l - 1 - y lo r t r i a z o l 1 - y l g r o u p sw e r ed e s i g n e da n ds y n t h e s i z e d as e r i e so fc o m p l e x e sd e r i v e df r o mt h e s e l i g a n d sa n dt r a n s i t i o n m e t a lc a t i o n s ( z n ( i i ) ，c u ( n ) ，n i ( i i ) ，c o ( 1 1 ) a n df eo - u ) ) w e r e p r e p a r e da n dc h a r a c t e r i z e db yt h ee l e m e n t a la n a l y s i s ，1 hn m rs p e c t r a ，i n f r a r e d s p e c t r aa n dt g d s ca n a l y s e s a d d i t i o n a l l y ，s i n g l ec r y s t a l so ft w oc o m p o u n d s ，s u i t a b l e f o rx r a yd i f f r a c t i o na n a l y s i s ，w e r eg r o w na n dt h e i rs t r u c t u r e sw e r ed e t e r m i n e d t h e u n i t c e l l p a r a m e t e r s w e r el i s t e d b e l o w ：l i g a n d2 - ( ( n b e n z o t r i a z o l 一1 一y 1 ) m e t h y l a m i n o ) b e n z o i ca c i d ( h l 4 ) i sm o n o c l i n cw i t hs p a c eg r o u pp 2 ( 1 ) ca n du n i t - c e l l p a r a m e t e r s o f a = 1 0 2 2 5 a b = 1 5 6 6 9 鼙, c = 8 0 9 8 & c o m p o u n d 【c u 2 ( m p p m ) 4 ( c h 3 0 ) 2 ( n 0 3 ) 2 ( 2 1 ) i s t r i c l i n i cw i t h s p a c eg r o u pp 一1 a n du n i t - c e l l p a r a m e t e r so fa = 1 1 0 1 7 ( 6 ) a ，b = 1 5 1 4 3 ( 9 ) 凡c = 1 4 9 0 6 ( 8 ) a i n t e r e s t i n g l y , w h e n t h el i g a n d ( 5 一m e t h y l - 3 一p h e n y l p y r a z o l 一1 y 1 ) m e t h a n o lw a se m p l o y e dt oi n t e r a c tw i t h c u ( n 0 3 ) 2 6 h 2 0 i nt h e p r e s e n c e o fs o d i u m h y d r o x i d e ，a n e wc o m p o u n d c u 2 ( m p p m ) 4 ( c h 3 0 ) 2 ( n 0 3 ) 2 ( m p p m = 5 一m e t h y l 一3 一p h e n y l - p y r a z o l 一1 y 1 ) m e t h a n 0 1 ) 2 1w a so b t a i n e dd u et ot h ec l e a v a g eo ft h ec nb o n db e t w e e nt h ep y r a z o l eg r o u pa n d t h em e t h a n o lm a i nf r a m ea sw e l la st h ec o o r d i n a t i o nt r a n s f e ro ft h ec l e a v a g ep r o d u c t m e a n w h i l e ，t h et h e r m o a n a l y s e so fs o m es e l e c t e dc o m p l e x e sw e r ep e r f o r m e da n d i n t e r e s t i n gr e s u l t sw e r eo b t a i n e d a tt h et h i r dp a r to ft h et h e s i s , af a r t h e rs t u d yw a sc a r r i e do u to nt h ef o u rb c wn 2 0 l i g a n d sw h i c hw e r es y n t h e s i z e di no u rl a b o r a t o r y an u m b e ro ft h e i rt r a n s i t i o n - m e t a l ( z n o o ，c u ( i o ，n i ( 1 1 ) a n dc o ( i i ) ) c o m p l e x e sw e r es y n t h e s i z e d t h e s ec o m p o u n d sw e r e a l s ou n d e r g o n et h ee l e m e n t a la n a l y s i s ，f t - i ra n dt g - d s ca n a l y s i s t h e c r y s t a l s t r u c t u r e so fo n ei i g a n da n dt w oc o m p l e x e sw e r ed e t e r m i n e db yx r a yd i f f r a c t i o n a n a l y s i s t h eu n i t c e l lp a r a m e t e r sw e r el i s t e db e l o w ：l i g a n dh l 9i so r t h o r h o m b i cw i t h s p a c eg r o u pp b c aa n du n i t c e l lp a r a m e t e r so fa = 9 8 3 2 2 a ，b = 1 2 1 0 9 ( 2 ) a ，c = 1 7 1 4 1 ( 3 ) a ；c o m p o u n dc o z ( i , 5 ) 2 ( n 0 3 ) z 4i sm o n o c l i n cw i t hs p a c e g r o u pp 2 ( 1 ) ca n d u n i t c e l lp a r a m e t e r so fa = 1 1 0 2 8 ( 4 ) a ，b = 1 6 8 8 5 ( 6 ) 凡c = 1 1 5 1 4 ( 4 ) a ；c o m p o u n d 【z n 2 ( l s h ( n 0 3 ) 2 h 2 0 1 3i st r i c l i n i cw i t hs p a c eg r o u pp - 1a n du n i t - c e l lp a r a m e t e r so f a = 8 6 6 3 ( 9 ) 人b = 1 0 7 6 6 ( 1 1 ) 足c = 1 0 7 7 4 ( 1 1 ) 久b o t hc o m p o u n d s4 a n d1 3a l e b i n u c l e a lc o m p l e x e s t h ec o m p o u n d1 3h a sa ni n v e r s i o nc e n t e r , b u ti nc o m p o u n d4 t h e t w on i t r a t ea n i o n sb i n de a c ht oo n ec o b a l t ( i dc e n t e ri nab i d e n t a t ef a s h i o nw i t hc s a r r a n g e m e n t f i n a l l y ，t h ec a t e c h o l a s ea c t i v i t yo fs o m ed i c o p p e r0 i ) c o m p l e x e sw e r e s t u d i e d , o ft h e m 【c u 2 ( m p p m ) 4 ( c h 3 0 瑚0 3 b 【c n 2 ( g 暑) 2 ( n 0 3 ) f l 。2 c h 3 0 h a n d 【c u 2 ( l g ) 2 ( n 0 3 ) 2 2 c h 3 0 hh a v eb e e nc h o s e nt oi n v e s t i g a t et h e i rp o t e n t i a la sc a t a l y s t s f o rt h ea e r i a lo x i d a t i o no f3 ，5 - d i - t e r t b u t y l c a t e c h o l0 ，5 一d t b c ) t o 3 ， 5 - d i - t e r t b u t y l q u i n o n e ( 3 ，5 一d t b o ) t h e r e s u l t si n d i c a t e dt h a tb o t hd i c o p p e r ( i i ) c o m p l e x e sa l ea c t i v ei nt h eo x i d a t i o no fm o d e lc a t e c h 0 1 k e y w o r d s ：m e t a l l o e n z y m e s ；n ol i g a n d s ；t r a n s i t i o n m e t a l sc o m p l e x ；c r y s t a ls t r u c t u r e ； c a t e c h o lo x i d a s em o d e l m 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，论文中不包含其它个人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得陕西师范大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 作了明确说明并表示谢意。 作者签名：醺i o 日期：2 互_ b 缁盟_ 学位论文使用授权声明 本人同意研究生在校攻读学位期阔论文工作的知识产权单位属陕西师范大 学。本人保证毕业离校后，发表本论文或使用本论文成果时署名单位仍为陕西师 范大学。学校有权保留学位论文并向因家主管部门或其它指定机构送交论文的电 子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校 图书馆、院系资料室被查阅：有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索： 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。 作者签名： 邀缝 f | 期： 珥皋臼【日 第一章文献综述 生物无机化学是经典无机化学和生物学的交叉学科。从生物无机化学的角度 来看，一个细胞有上千种化学反应，人体有成千上万种酶，每种酶控制着一种反 应，人体的新陈代谢过程就是许许多多种酶的催化反应。每种酶都有特定的催化 活性部位和生物功能m 。因此，研究酶的结构一功能一作用机理之间的规律就成为当 今生物无机化学一个新的热点，是揭开生命奥秘的重要途径。为了探讨在金属酶 中金属离子和生物配体之间的相互作用，以及其在活性中心部位的作用和其活性 中心的结构。化学上常常采用小分子模型化合物来模拟金属酶的活性中心结构与 反应性能。通过金属酶活性中心金属部位的模拟合成，利用) ( - 射线衍射对其晶体 结构进行表征，谱学分析等同时进行，研究其规律和特点，以期在模拟金属酶活 性中心部位和仿生功能材料的研究中有新的发现。 1 1 金属酶研究简介 生命活动是许多具有生物活性的物质参与各种化学反应的总结果。在生物体 内，金属离子参与了许多重要的生命过程，是维持生命活动必需的。过渡金属因 有未充满电子的d 轨道，可参与生物体内的氧化还原过程，起“中转站”及催化 活性中心的作用。金属离子的结构变化( 如半径、氧化态、d 电子的排布形式等) ， 可相应地影响金属离子与生物分子形成的配合物的结构、反应性和氧化还原电位 等性质。它们不仅对于维持生物大分子的结构至关重要，而且广泛参与各种生命 过程，在物质输送、信息传递、生物催化和能量转换中都起着十分关键的作用”4 。 在己鉴定出的3 0 0 0 多种酶中，约有三分之的酶含有金属离子，在酶中金属 离子起着重要的作用，它们与生物配体之间的结合必将影响各自的结构和性质， 对各种生命生理过程产生影响。在分子水平研究和探讨各种元素和生物配体之间 的相互作用，阐明各种元素所完成的生物学功能、各种金属的配位化合物组成和 分子结构等对人类进一步研究生命与自然的发展规律有着重要的作用“吲。因此金 属酶活性中心金属部位的结构和生物功能的研究成为了化学生物学重要的的研究 对象。在自然界的发展和生命迸化中，动植物为了生存，进化出了酶的商效催化、 激素的精密调控等无数绝妙的生物机能。通过自然的启发引导，科学工作者探索实 现化学反应、产品检测及反应后处理等“绿色化”的可能。由于生物体内进行的 生命活动恰是一个完整绿色化的过程，其中酶和激素扮演着极其重要的角色，这就 为人们实现绿色化学提供了开展工作的切入点模拟酶研究与开发。 目自订研究较多的是铁酶、锌酶、铜酶和钼酶等”“，目前正积极研究他的结构 和催化机理。金属锌酶作为生物体内的第二大类过渡金属酶的研究已经广泛开展 起来了。在己知的约2 0 0 多种锌酶中就有许多锌酶已经得到了结晶”1 ，它们的结 构和作用机理己经研究较清楚。在这些研究中，不仅仅对金属酶本身的结构和功 能进行了透彻的研究，而且它们的小分子模型化合物的研究也开展起来“”。 1 2 模拟金属酶的现实意义及方法 1 2 1 模拟金属酶的现实意义 酶是一类生物催化剂，有着所有催化剂的共性：少量酶存在即可大大加速反 应速度；有时也参与反应，但反应前后本身无变化。另外酶还有其自身特性：更高 的催化效率、更高的反应专一性、温和的反应条件“”。有些酶( 如脱氢酶) 需要辅 酶或辅基，有奇特的酶活性调节能力。 生物无机化学中，有关生物活性配合物的模拟可分为三个层次汹1 ：( 1 ) 模拟物只 含有与生物活性酶相同的金属离子第一级近似，如超氧化物歧化酶( s o d ) 是以 铜为辅基的蛋白质配合物，而铜的某些氨基酸或羟基配合物，可用作它的模拟物， 它们具有一定程度的s o d 活性。尽管模拟物的作用机理、选择性及反应效率不同 于原来的酶，但因可大量合成，仍有实用价值；( 2 ) 模拟活性中心结构。人们用三亚 乙基四胺合成铁( ) 配合物来模拟过氧化氢酶。用该化合物来进行如催化机理的 研究显得很方便。结果证明该铁( i ) 配合物催化分解过氧化氢的速度相当接近过 氧化氢酶的速度：( 3 ) 整体模拟。活性中心必须处在一个特定的微环境和整体结构 之中，所以高级模拟是包括微环境在内的整个活性部分。c o l l m a n 。”等合成了围栅 型铁( n ) 卟啉用以模拟血红蛋白的可逆载氧，效果良好。诺贝尔奖获得者c r a m ， p e d e r s o n 与l e h n 相互发展了对方的经验，提出了主客体化学。o 和超分子化学3 ， 奠定了模拟酶的重要理论基础。根据酶催化反应机理，若合成出能识别底物又具有 酶活性部位催化基团的主体分子，同时底物能与主体分子发生多种分子相互作用， 就能有效模拟酶分子的催化过程。 酶对生物体有着极其重要的作用。然而，天然酶易变性失活、提纯困难、价 格昂贵，给储藏及使用带来不便，实际需要同样促使人们开发具有酶功能的模拟 酶体系用于实际生产。化学上常常采用小分子模型化合物来模拟金属酶的活性中 心结构与反应性质。到目前为止，关于金属酶的小分子模型化合物的研究己经有 很多。 1 2 2 金属酶的合成模拟方法简述 研究金属酶的结构与功能，合成它们的模拟物，以推动它们在生产中的应用 虽然还要做许多努力，但无疑是极富生命力的领域。模拟酶作为研究酶结构与其 功能的关系的方法已经过长期实践，由氧化酶的模拟酶研究中所得到的某些规律， 同样可以推广于天然过氧化氢酶中以提高其催化活性，而获得实际应用。h o l m 等 2 人o ”指出：模拟的方法是对生物分子一种补充的研究，它可以对酶的活性中心结 构和功能提供有价值的信息，研究的最终目的是选择适当的体系用于生产。 最常用的模拟方法有三种渊：( 1 ) 用大小楣近，配位类型相似的金属离子取代 生物体系中的金属离子，这些取代离子常被称为生物探针；( 2 ) 用一些简单的金属 配合物作为生物原型的模型化合物，它们可以在一定程度上反映生物原型的某些 特征，例如对卟啉的铁配合物等人工氧载体的研究，大大加深了对血红蛋白载氧 机制的认识；( 3 ) 用化学方法再现生物体系的某种功能，例如目前广泛研究的光合 作用分解水制氢的各种模拟体系。必须反复强调，在运用模拟方法时，不能轻率 地把模拟体系研究结果简单套用到生物原型上去。根据酶催化反应机理，若合成 出能识别底物又具有酶活性部位催化基团的主体分子，同时底物能与主体分子发 生多种分子相互作用，就能有效模拟酶分子的催化过程。因此，酶作为生物催化 剂的重要生理功能，使金属酶以及金属酶的模拟在理论上和应用上都将是一个很 有希望的研究领域。 1 3 几种常见金属酶的模拟研究进展 1 3 1 锌酶的研究进展 在1 9 9 5 年第七次国际生物无机化学会议上，就有专门一个议题为金属锌酶， 可见锌酶在所有金属酶的地位。金属锌酶在基因的表达调控、细胞分化、机体生 长等生物体的生命过程中起着非常重要的作用”删按照功能的不同来划分，它们可 作为脱水酶( a n h y d r a s e ) 、水解酶( h y d r o l a s e ) ，裂解酶( 1 y a s e ) 、连接酶( 1 i g a s e ) 、异 y 忑f n i l - - o h 2 z 1 一吼翅nh 夕( h ) 一c h 2 弋砖 + v h ) 一c 旷s h + n h 3 c y s n o sd o n o r so f h i s ，a s p ，g l u c y s r e s i d u e s 叼2 + n h 3 一一 夕( h ) c h 2 c o h 刚0 2 c 删，- - c h 2 - - c h 2 一c 0 刚( h )一c n w 图1 - 1 常见锌酶的结构及配位氮基酸端基 3 z j n j u x 构酶( i s o m e r a s e ) 、迁移酶( 仃a n s f c r a s e ) 等1 。金属锌酶中研究比较多的金属锌酶有 碳酸酐酶( c a r b o n i c a n h y d r a s e ，c a ) ”，亮氨酸氨肽酶( k u c i n e 锄i n o p e p t i d a s e ) 3 6 。1 ， 羧肽酶a ( c a r b o x y p e p t i d a s ea ) ”删和磷酸酯酶c ( p h o s p h o l i p a s ec ) “2 1 等。 最常见的锌酶结构是四面体型，锌离子位于四面体的中心，其中三个与蛋白 质骨架末端氨基酸的残基相连，另一个与具有催化活性的小分子相连( 如h 2 0 或 含有o h - 的化合物) 见图i - 1 。和会属锌离子相连的蛋白质残基有组氨酸( h i s ( n ) ) 、 谷氨酸( g l u ( o ) ) 、天冬氨酸( a s p ( o ) ) 、半胱氨酸( c y s ( s ”，它们分别提供n ，o 和s 配位原子的配体，其中组氨酸是最常见的。组氨酸通过它的咪唑取代基作为一个 中性配体进行配位，然而谷氨酸和半胱氨酸通过去质子化的羧酸根阴离子配位。 1 3 1 1 几种常见的锌酶 ( 1 ) 羧肽酶a 羧肽酶是催化肽链的c 末端氨基酸残基水解酶，也是第一个被发现的锌酶， 事实上，也是第一个发现的金属酶。它是迄今为止在动力学，结构和光谱方法等 方面研究得最清楚的水解酶，为其他锌酶的研究提供了重要信息。目前已经发现 的羧肽酶有两大类：一类羧肽酶是细胞外酶，主要用于帮助蛋白质消化，在中性 或碱性条件下显示出极大的活性。另一类不是金属酶，例如酵母羧肽酶c ，它们是 细胞内酶，在酸性条件下具有很大活性“”。这里先介绍一下含有锌离子的羧肽酶。 锄，骂二 g 们z 砭：z n n 一。h ： h n 冬蓄& h ，s 图1 - 2 含有锌离子的羧肽酶a 的结构 羧肽酶a ( c a r b o x y p e p t i d a s e a ) 的活性金属中心结构如图1 2 所示，该活性中心 含有一个锌离子，锌离子与两个氨基酸上的氮原子和另一个氨基酸上羧基氧原子 以及一个水分子上的氧原子配位形成四配位构型。它能催化肽链末端的肽键水解， 在蛋白质的降解中有重要作用”“。 ( 2 ) 碳酸酐酶 没有催化齐j 的情况下，c 0 2 和h c 0 3 的转换非常慢，而在碳酸酐酶 ( c a r b o n i c a n h y d r a s e c a ) 的存在下可以使二氧化碳水合和脱水反应的速度分别加 快1 3 0 0 0 倍和2 5 0 0 0 倍。它是已知金属酶中催化转换数最高的之一。它可以在2 m s 4 内使9 5 的c 0 2 转换为h c o f ，即： c 0 2 + h 2 0 与：坠h c 0 3 + i r 碳酸酐酶最主要的生理功能是催化二氧化碳水合作用。在人和动物体内，它催化 二氧化碳水和生成碳酸氢根离子，当碳酸氢根离子随血液循环到肺泡后，又由碳 酸酐酶催化使它解离为二氧化碳排出体外。碳酸酐酶除了选择性地识别c 0 2 和 h c 0 3 作为催化地物和产物，也可以催化磷酸酯、羧酸酯、醛类等分子的水解。人 的碳酸酐酶呈椭球形，图1 3 是碳酸酐酶的活性金属中心结构“7 侧。 图l - 3 碳酸酐酶的活性中心结构 ( 3 ) 磷酯酶c ( p h o s p h o l i p a s ec ) 磷酯酶c ( p h o s p h o l i p a s ec ) 是一个三核锌酶”，能催化磷脂的水解，在磷脂 的新陈代谢过程中有重要的作用，其活性金属中心结构如图1 - 4 所示。 ( 4 ) p 1 核苷酸酶( p l n u c l e a s e ) p 1 核苷酸酶( p l n u c l e a s e ) 是：- - 个多核锌酶”，其活性金属中心结构如图1 5 所示，锌离子与两个氨基酸的羧基氧原子和另两个氨基酸的氮原予以及一个水分 子上的氧原予配位形成五配位构型。它能水解r n a 和d n a 中的磷酸二脂键，广 泛地应用于研究核酸的二级结构，是基因工程研究中的一种工具酶。 5 0 a n , o a s p 长聊 j 冀 狱h i s 2 i o o 吼一 脚 甜丫静s o h ， i 二a s p h 2 0 一手呔 i h i s h i s 图1 - 5p 1 核苷酸酶金属中心结构 1 3 1 2 模拟金属锌酶的研究现状 在生物体内锌离子通常是与氧原子和氮原子配位，所以在锌酶的小分子模型 化合物的研究中，常采用氧原子和氮原子与锌离子配位。到e 1 前为止，关于锌酶 的小分子模型化合物的研究己经有很多”“。其中有e k i m u r a 等”2 州用含多个氮原 子的氨配体合成了一系列的氨环化合物，其中比较突出的有大环三氮化合物 【z n ( l i ) 1 2 ( c 1 0 4 ) 2 “7 3 和大环四环化合物【z n ( l 2 ) ( c 1 0 4 ) 2 旧1 ，其中 z n ( l 1 ) 】2 “和 【z n ( t e ) “分别如下： i z n ( l 2 ) 1 2 + 邻胆 b i z n ( l 1 ) 】2 2 + 合成的大环三氨化合物【z n ( l 1 ) 】2 ( c 1 0 4 h 是二核锌化合物，每个锌离子是五配 位构型的，分别与三个氮原子和两个氧原予配位。【z n ( l 1 ) 】2 2 + 的结构如图1 6 a 所示。 大环四环化合物 z n ( l 2 ) ( c 1 0 4 _ ) 2 为单核锌化合物，锌离子与四个氮原子和一个氧原 子配位成五配位构型，其结构如图1 6 b 所示。它们的合成路线分别为：让 z n ( c 1 0 4 h 6 h 2 0 与l l 反应，用n a o h 溶液调节p h 值为9 ，再加入n a c l 0 4 反应得化合 物 z n ( l 1 ) 】2 ( c 1 0 4 ) 2 ；g z n ( l e ) ( c 1 0 4 ) 2 贝l j 让l 2 r 4 h c l 溶于水后，通过离子交换柱 得到游离配体l 2 ，然后用游离的配体l 2 与z n ( c 1 0 4 ) 2 6 h 2 0 在乙醇溶剂中反应得到 产物。 6 图1 - 6 b 化合物【z l i ( k ) 】( c 1 0 4 ) 2 的结构图 图1 - 6 a 化合物【z n ( l 1 ) 】产的结构图 p c h a u d h u r i 等则是采用开环的多氮原子的氨配体合成了两个二核锌化合物 【( l 3 ) 2 z n ：( u o n h ( 0 0 4 h 和 ( l 3 ) z z n 2 ( u o h ) 以一c h s c o g ： ( c 1 0 4 ) h z o ，l 3 的分子式 如下： c h 3 n c h 2 c h 2 n c h 2 c h 2 n c i 1 3 lii c 。i - i s毗吗 化合物【( l 3 ) 2 z l l 2 以一o n ) 2 1 ( c 1 0 4 ) 2 d o 的两个锌离子是通过两个轻基桥联成四元环 2 1 1 2 0 2 ，配体l 3 是在四元环z n 2 0 2 外围与锌离子配位，每个锌离子分别与三个氮原 子和两个氧原子形成五配位构型， ( l 3 ) 2 z n 2 ( u - o h ) 2 】2 + 的结构如图1 7 a , 0 i ：示。化合 物 ( l 3 h z n 2 ( p - o h m ( a 0 4 ) 2 的合成路线是：i k z n ( c 1 0 4 h 6 h 2 0 与l 3 配体在水溶液 中反应得到 图1 - 7 a ( i a h z n 2 ( u - o r a l “的结构图 7 图l - 7 b 【( l 3 ) 2 z n 2 以o h ) ( u c h 3 c 0 2 ) 2 】2 + 的结构图 化a 物 ( l 3 h z n 2 m o h ) 以一c h 3c 0 2 ) 2 】( c 1 0 4 ) h z o q p 两个锌离子是通过两个羧基 和一个羟基桥联。每锌离子分别与三个氮原子和三个氧原予形成六配位构型，其 阳离子f ( l 3 ) 2 z l l 2 以一0 h ) 一c h 3 c 0 2 ) 2 2 + 的结构如图1 - 7 b 所示。其合成路线是：让 z n ( c h 3 c 0 2 ) 2 2 h 2 0 与l 3 配体在甲醇溶剂中反应得到。 汨 图1 7 d 【z n 2 ( b p 妨( c h 3 c o 办l 结构图 s u h l e n b r o e k 等”用z n ( c 1 0 4 ) z 6 h 2 0 ，h b b a p 和c 棚5 c o o n a 在甲醇乙醇混合溶 剂中合成了化合物 z n 2 ( b b a p ) o o b z ) h 2 0 ( c 1 0 4 ) 2 4 h 2 0 】( h b b a p = 2 ，6 - 二【n ，n 一( 2 一甲 基苯并咪唑) 甲氨】- 4 甲基苯酚，o b z = c 6 h 5 c o o 一) ，阳离子【z n 2 ( b b a p ) ( u o b z ) h 2 0 “ 的结构如图1 7 c 所示，两个锌离子的配位方式示不同的，一个为五配位，另一个多 配位了一个水分子为六配位。两个锌离子示通过苯甲酸上的两个羧基氧原子和 8 b b a p - _ l i 幂j - - 个酚基氧原子桥联。中山大学的陈小明等在这方面也做了些研究，它 们合成了【z n 2 ( b p y ) 2 ( c h 3 c 0 2 ) 3 ( c l o , ) ( b p y = 2 ，2 - b i p y d d i n e ) ，其结构如图1 7 d 所 示。 图i - 7 c z n 2 ( b b a p ) ( , a - o b z ) h 2 0 2 + 的结构图 在这个研究领域所报道的化合物中，有一个很大的特点就是绝大多数的化合 物的金属锌离子存在于化合物的阳离子部分，而且大部分的锌离子来源都是 z n ( c 1 0 4 h - 6 h 2 0 试剂和z b ( c h 3 c 0 2 k 2 h z o 试剂，在配体方面，多侧重于含氮原子 的配体的研究。在本论文的研究中，我们所合成的化合物的锌的来源是 z n ( n 0 3 ) 2 6 h 2 0 ，z n ( c 1 0 4 ) 2r 6 h 2 0 和z n ( c h 3 c 0 2 ) 2 2 h 2 0 ，研究的配体侧重于含氮， 氧原子的n o 多齿配体。让配体和z n ( n 0 3 ) 2 - 6 h 2 0 ，z n ( c 1 0 4 ) 2 6 h 2 0 和z n ( c h 3 c 0 2 ) 2 2 h 2 0 在碱性条件下反应，得到一系列新的金属锌的配合物，并得到一种双核 锌配合物的单晶。 1 3 2 含铜蛋白及铜酶的研究进展 含铜蛋白和含铜酶广泛存在于自然界中，铜在生物体中的含量仅次于铁和锌， 在过渡金属中居第三位。铜蛋白和铜酶涉及生物体内的电子传递、氧化还原、氧 分子的运送及活化等过程。根据铜蛋白和铜酶的吸收光谱性质不同，将它们所含 的铜分为三类：i 型、i i 型和h i 型。具有代表性的铜蛋白和铜酶列于下表1 1 中， 从表中可以看出有的蛋白中只含有一种铜，而有的则同时含有多种铜，如抗坏血 酸氧化酶等，含有多种铜的蛋白被称为多铜蛋白。下面介绍几种常见的铜蛋白 和铜酶。 9 表1 - 1 具有代表性的铜蛋白和铜酶 名称分子量d a 功能 ( e 【l ( 1 n 0 1 咖) 】x 1 0 4 c m - l 1 慧 电子传递8 。一5 9 7 ( o ug，t10500 5 9 7 ( 4 9 0 0 1 电子传递 慧 1 4 0 0 0电子雠 f i 1 9 ( 5 1 鲫； 电子传递 阿祖林一 型铜蛋白 c u 2 z n z - s o d 半乳糖氧化酶 型铜蛋白 血蓝蛋白 酪氧酸酶 多铜蛋白 抗坏血酸氧化酶 漆酶 3 2 0 0 0 2 6 8 0 0 0 消除0 2 醇的氧化 1 0 5 。1 0 7氧载体 6 1 0 0 0黑色素的合成 6 8 0 0 0 x 2抗坏血酸氧化 二酚的氧化 0 2 一c u c t 3 5 0 ( 2 0 0 0 0 ) 3 4 5 ( 2 0 0 0 0 ) 3 3 0 ( 2 0 0 0 ) 6 1 0 ( 4 8 0 0 ) 3 3 0 ( 2 7 0 0 ) 1 3 2 1 常见的铜蛋白和铜酶 ( 1 ) 含铜屯子传递蛋白一i 型铜蛋白 现已知的含i 型铜蛋白都是参与电子传递反应的蛋白。该蛋白通常呈深蓝色， 因此也被称为蓝铜蛋白m l u ec o p p e r p r o t e i n ) 1 ；与一般的铜配合物的氧化还原电位 f 约1 6 0 m v ) 相比，i 型铜蛋白的氧化还原电位都比较高( 2 0 0 - 7 0 0 m y ) 。从已报道的 i 型铜蛋白的晶体结构可以看出，其中铜的配位环境为n 2 s s ，即两个组氨酸侧链 上的咪哗氮原子、一个半胱氨酸侧链上的硫原子和一个蛋氨酸侧链上的硫原子参 与铜的配位，形成一个扭曲的四面体结构。但是阿祖林( a z u r i n ，中文中有的译成天 青蛋白) m 。”的活性中心中，两个组氨酸的咪唑氮原子和一个半胱氨酸硫原子形成 一个三角形，蛋氨酸上的硫原子和一个蛋白链中的酰胺氧原子分别从三角形的两 边于中心铜离子有弱的配位作用。图1 8 a 和图1 8 b 分别为质体蓝素和阿祖林的铜活 l o 性中心。 图1 8 a 质体蓝素活性中心图1 8 b 阿祖林的活性中心 ( 2 ) 超氧化物岐化酶一h 型铜蛋白 与i 型铜蛋白相比，i i 型铜蛋白活性中心中铜的氧化还原电位向正的方向移 动，配位原子由硫变为氮或者氧，为典型的四方锥配位构型。从功能方面看，i 型铜蛋白为电子传递，而i i 型铜蛋白中的铜一般处于配位不饱和状态，即留有空 位，从而可以结合底物分子，并进行催化反应。活性中心只含有i i 型铜蛋白的有 铜锌超氧化物歧化酶( 铜锌s o d ) ”1 和半乳糖氧化酶( g a l a c t o s eo x i d a s e ) ”，这里主 要介绍下前者。 在氧分子代谢过程中，作为不完全代谢产物或副产物，会产生对生物体有害 的超氧负离子和过氧负离子。由于这些有害物种的反应活性非常大，必须及时、 有效的清除它们。生物体系经过进化已经形成了自己的防御体系，超氧化物歧化 酶( s u p e r o x i d ed i s m u t a s e ，s o d ) 可以有效的催化分解超氧负离子，从而起到保护生 物体的作用。超氧化物岐化酶的催化反应如下”1 ： 2 0 2 + 2 h + s o d0 2 + h ，0 2 该反应中生成的过氧化氢将在过氧化氢酶的作用下发生进一步反应，消除其毒性。 到目前为止已知的超氧化物歧化酶有四种：铜锌超氧化物歧化酶( c u z z n 2 s o d ) 、 锰超氧化物歧化酶( m n s o d ) 、铁超氧化物歧化酶( f e s o d ) 4 删和镍超氧化物歧 化酶( n i s o d ) 一1 。其中，研究的最多，了解的最清楚是从真核生物中分离得到的 铜锌超氧化物歧化酶( c u 2 z n 2 s o d ) ，哺乳动物的超氧化物歧化酶主要存在于肝脏、 脑、血液等组织中。铜锌超氧化物歧化酶( c u z z n 2 _ s o d ) 1 9 3 8 年被发现，直到1 9 6 9 年才知道其生物活性。c u 2 z n 2 - s o d 中含有两个相同的亚甲基，其中每个亚甲基中 含有一个铜和一个锌离子。两个亚甲基之间通过非共价键的疏水作用缔合在起， 图1 9 给出t c t l 2 z n 2 - s o d 的活性中心结构”“。 1 1 卫 8 i 一广o 一。 t a s p 8 1 j 、 h i s6 9 图i - 9c u 2 z n 2 - s o d 的活性中心结构 ( 3 ) 含铜氧载体一型铜蛋白 i 型和1 i 型铜蛋白的活性中心一般都只含有一个铜离子，而型铜蛋白的主要 特点是在其活性中心含有两个铜离子，而且铜离子之间存在强的相互作用。i 型 铜蛋白的典型代表有血蓝蛋白和酪氨酸酶。血蓝蛋( h e m o c y a n i n ，h c ) 是一种载氧 体，存在于蜗牛、章鱼等甲壳类和软体动物的血液中。从一种刺龙虾( 一种节肢 动物) 中分离得到血蓝蛋白并得到其晶体，图1 - l o a 和1 1 0 b 分别是这种血蓝蛋白脱 氧和氧合状态下金属中心结构，含有两个一价铜离子，c u c u 间距为4 o a ，每个铜 离子均和三个组氨酸残基相连，两个金属i 日j 的空腔刚好容纳双氧分子”1 。 图1 1 0a 血蓝蛋白 脱氧状态下金属中心结构 图1 1 0 b 血蓝蛋白 氧合状态下金属中心结构 儿茶酚氧化酶是一种重要的铜酶，又叫多酚氧化酶。广泛存在于动物、植物 和微生物中，而在哺乳动物组织内，参与色素的形成，使皮肤、头发和眼睛着色 它具有加氧酶和脱氢酶双重活性，能催化单酚类化合物经基化为二元酚，在酶的 作用下，二元酚继续氧化脱氢生成邻苯酿类化合物，所以它可以以酪氨酸为底物， 把它转化为多巴胺，最后合成黑色素该酶的作用底物范围广，价廉易得，因而具 有广泛的用途，是生命体系中很重要的一类酶。通过e p r 、电子吸收、c d 拉曼光 谱和e x a f s 检测，发