（应用化学专业论文）膦配体取代2Fe2S配合物的合成、电化学与质子化反应.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 唯铁氢化酶能高效可逆催化质子还原产氢，其活性中心具有双八面体的蝶状几何结 构，与金属有机配合物 f e 2 ( p s r ) 2 ( c o k l d 的结构非常相似。因其独特的结构特征和高 催化活性，唯铁氢化酶活性中心的结构和功能模拟引起了生物无机化学家们极大的兴 趣。目前，主要的挑战是揭示唯铁氢化酶的催化机理以及寻求具有催化活性的仿生催化 剂。本论文合成了一系列膦配体取代的唯铁氢化酶活性中一l , - - 铁二硫模型配合物，并对 模型配合物的结构、电化学以及质子化性质等方面进行了研究。 论文从氮杂丙烷桥二铁二硫配合物 ( w s c h 2 ) 2 n ( 4 n 0 2 c d - h ) f c 2 ( c o ) 6 】( 1 ) 出发合 成了膦配体单取代和双取代衍生物【 ( p s c h 2 ) 2 n ( 4 一n 0 2 c d - h ) f e 2 ( c o ) 5 ( p m e 3 ) 】( 2 ) 和 【 ( p s c h 2 h n ( 4 - n 0 2 c d - 1 4 ) f e ( c o ) 2 l 2 】( 3 ，l = p m e 3 ；4 ，p m e 2 p h ) ，研究了这些配合物的 电化学性质和配合物3 的质子化反应，得到两种质子化产物 3 ( f e h f e ) + p f 6 】_ 和 3 ( s h ) i + ( o t 0 - 。通过红外、质谱、核磁等方法对配合物2 、3 、4 以及 3 ( f e h f e ) + 【p f j 和【3 ( s d 】+ ( o t f ) - 的结构进行了表征，除【3 ( s h ) 】+ ( o t 0 一之外，其它配合物的分子结构通 过x 光单晶衍射测定。通过变温”pn m r 谱研究了配合物2 和3 在溶液中可能存在的 异构体。为了避免配合物3 中硝基对电化学还原电位的影响，合成了配合物 ( ；_ t - s c h 2 ) 2 n c d t s f e ( c o ) 2 p m e 3 2 ( 6 ) ，并研究了其在醋酸存在下，电催化质子还原放氢 性能，结果表明氮杂丙烷桥模型配合物相对于丙烷桥模型配合物显示出较高的催化活 性。 为了将氢化酶模型配合物共价键合到光敏剂或半导体材料上，对氮杂丙烷桥二铁二 硫配合物 ( p s c h 2 ) 2 n c 3 h 7 f e 2 ( c o ) 6 】( 7 ) 进行配体修饰，通过膦配体引入活性基团羧 基配合物7 与p h 2 p c h 2 c 0 0 h 反应得到膦配体脱羧的单取代产物 【( p s c h 2 h n c 3 h 7 f e ( c o ) 3 f e ( c o h ( p h z p c h 3 ) 】( 1 0 ) ，而配合物7 与p h 2 p c h 2 c h 2 c o o h 反应，缛到带羧基的目标产物【 ( p - s c h z ) z n c 3 h 7 f e ( c o ) 3 f e ( c o ) 2 口h 2 p c h 2 c h 2 c o o h ) 】( 1 1 ) 。为了更好的理解这个脱羧反应过程，在相同的反 应条件下，研究了丙烷桥二铁二硫配合物( “一p d t ) f e 2 ( c o ) 6 与p h 2 p c h 2 c o o h 的反应， 得到带羧酸官能团的目标配合物 ( g - p d t ) f e ( c o ) 3 ) f e ( c o ) 2 ( p h 2 p c h 2 c o o h ) 】( 1 2 ) 。同 样的反应条件下，桥连氮原子质子化的配合物 ( 卜s c h 2 ) 2 n h ( c h 2 c 6 h 4 2 - b r ) f e 2 ( c o m + c l o d ( 9 ) 与p h 2 p c h 2 c o o h 反应，亦得到未脱羧的产物 ( p s c h 2 ) 2 n h ( c h 2 c 6 i 1 4 2 一b r ) l f e 2 ( c o ) 5 p h 2 p c h 2 c o o h + c 1 0 4 - ( 1 3 ) 。以上反应结果表明 桥连氮原子在p h 2 p c h 2 c o o h 配体脱羧反应中起传递质子的重要作用，根据实验结果提 出了一个合理的p h 2 p c h 2 c o o h 脱羧反应机理，这为人们理解唯铁氢化酶活性中心中桥 膦配体取代 2 f e 2 s 配合物的合成、电化学与质子化反应 连氮原子作为分子内碱基的反应特性，进而理解生物氢化酶还原质子产氢机理提供了实 验依据。 关键词：唯铁氢化酶；铁硫配合物；膦配体；脱羧反应；分子内碱基 大连理工大学博士学位论文 s y n t h e s i s ，e l e c t r o c h e m i s t r ya n dp r o t o n a t i o no f p h o s p h i n es u b s t i t u t e d 2 f e 2 s c o m p l e x e s a b s t r a c t t h ei r o n o n l yh y d r o g e n a s ec a l lc a t a l y z et h er e v e r s i b l er e d u c t i o no f p r o t o nt oh y d r o g e na t e x t r a o r d i n a r i l yh i g hr a t e s t h ea c t i v es i t e ，w h e r e i nt h ec a t a l y t i cc h e m i s t r yt a k e sp l a c e ，a d o p t s i tb i - o c t a h e d r a l b u t t e r f l yg e o m e t r y ，h i g h l yr e s e m b l i n gt h ew e l l - k n o w no r g a n o m e t a l l i e c o m p l e x 【f e 2 ( p 一s r ) 2 ( c o ) 6 - 。k b e c a u s eo ft h es i m p l es t r u c t u r ea n dh i 。g he f f i c i e n c y ， b i o m i m e t i cm o d e l sr e l a t e dt ot h ea c t i v es i t eo ft h ef e - o n l yh y d r o g e n a s ea r eo fp a r t i c u l a r i n t e r e s tt ob i o i n o r g a n i cc h e m i s t s t h em a j o rc h a l l e n g ei st ou n d e r s t a n dt h e e n z y m a t i c e a t a l y t i cm e c h a n i s ma n dt oe x p l o r ef o rt h es y n t h e t i cc a t a l y s t st h a tp l a yw i t hh y d r o g e n a s e - l i k e f u n c t i o n as e r i e so fp h o s p h i n e s u b s t i t u t 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 es y n t h e s i z e di n t h i st h e s i sa st h es t r u c t u r a la n df u n c t i o n a lm o d e l so f t h ef e - o r d yh y d g e n a s ea c t i v es i t e t h e s t r u c t u r e s ，e l e c t r o c h e m i s t r ya n dp r o t o n a t i o no f t h e s em o d e lc o m p l e x e sw e r es t u d i e d i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ef u n c t i o no ft h e b r i d g e d - ni nt h ea c t i v es i t eo ff e o n l y h y d r o g e n a s e ，a z a d i t h i o l a t ed i i r o nm o d e lc o m p l e x 【 ( r t s c h 2 ) 2 n ( 4 - n 0 2 c 6 h 4 ) f c 2 ( c o ) 6 】( 1 ) a n di t s1 1 1 0 1 1 0 - a n d d i p h o s p h i n e s u b s t i t u t e d c o m p l e xf ( l s c h 2 ) 2 n ( 4 - n 0 2 c 6 h 4 ) 一 f e 2 ( c o ) 5 ( p m e 3 ) 】( 2 ) a n d 【 ( l - s c h 2 ) 2 n ( 4 - n 0 2 c 6 i - 1 4 ) f e ( c o ) 2 l 2 】( 3 ，l = p m e 3 ；4 ，p m e 2 p h ) w e r es y n t h e s i z e d t h er e a c t i o no fc o m p l e x3w i mt r i f l i ca c i dg a v et w op r o t o n a t e dp r o d u c t s 3 ( f e h f e ) + i f f 6 一a n d 【3 ( s h ) 】+ ( o t d - t h eo b t a i n e dc o m p l e x e sw o r ec h a r a c t e r i z e db yn l n m l lm sm e t h o d s t h em o l e c u l a r s t r u c t u r e so fa l ld i i r o n c o m p l e x e se x c e p t f o r 【3 ( s h ) 】十( o t o - w e r ed e t e r m i n e db ys i n g l ec r y s t a lx r a yd i f f r a t i o n t h ev a r i a b l et e m p e r a t u r e ，pn m rs p e c t r ao fc o m p l e x e s2a n d3w e r es t u d i e dt og e ts o m ei n f o r m a t i o na b o u tt h e e x i s t e n c eo ft h ec o n f o r m a t i o ni s o m e r so f2a n d3i ns o l u t i o n t h ee l e c t r o c a t a l y t i cp r o p e r t yo f ( i t - s c h ：) 2 n c 6 h 5 f e ( c o ) 2 p m e 3 2 ( 6 ) w a si n v e s t i g a t e df o rt h er e d u c t i o no fp r o t o n sf r o m h o a ct om o l e c u l a rh y d r o g e n t h ea z a d i t h i o l a t e ( a d t ) b r i d g e dd i i r o nc o m p l e x6e x h i b i t e d h i g h e re l e c t r o c a t a l y t i ca c t i v i t yf o rr e d u c t i o no fp r o t o n sf r o mh o a ct h a ni t sa n a l o g o u s p r o p a n e d i t h i o l a t e ( p d t ) b r i d g e d d i i r o nc o m p l e xu n d e rt h es a m em e a s u r i n gc o n d i t i o n f o rt h ep u r p o s e so f ( 1 ) c o n n e c t i n gap h o t o s e n s i t i z e rt ot h eb i o m i m e t i cm o d e lc o m p l e x t h r o u g ht h ec a r b o x yg r o u pa n d ( 2 ) i m m o b i l i s i n gt h ec a r b o x yf u n e t i o n a l i z e dd i i r o nc o m p l e xt o s o m es e m i c o n d u c t o r so rt oa l le l e c t r o d e , w et r yt 0i n t r o d u c eac a r b o x y l - f u n c f i o n a l i z e d p h o s p h i n el i g a n dt ot h ed i i r o nc o m p l e x t h er e a c t i o no f 【 ( 肛一s c h 2 ) 2 n c 3 h 7 f 0 2 ( c o ) 6 1 w i t hp h 2 p c h 2 c o o h a f f o r d e da d e c a r b o x y l a t ep r o d u c t ( “- s c h 2 ) z n c 3 h 7 一 【f e ( c o ) 3 f e ( c 0 ) 2 ( p h 2 p c h 3 ) 】( 1 0 ) ，b u t t h er e a c t i o no fm o d e l c o m p l e x 7w i t h 膦配体取代 2 f e 2 s 配合物的合成、电化学与质子化反应 p h 2 p c h 2 c h 2 c o o hg a v e t h e e x p e c t e dt a r g e t c o m p l e x 【 ( 肛- s c h 2 ) 2 n c 3 h t 一 f e ( c o ) 3 f c o ) 2 ( p m p c h 2 c h 2 c o o s ) ) 】( 1 1 ) i no r d e rt ou n d e r s t a n dt h i sd e c a r b o x y l a t i o n r e a c t i o n ，t h er e a c t i o no f ( 肛一p d t ) f e 2 ( c 0 ) 6a n dc o m p l e x 似s c h 2 ) 2 n i i ( c h z c 6 地- 2 - b o 一 f e 2 ( c o ) 6 】十c 1 0 4 - ( 9 ) w i t hp h 2 p c h 2 c o o hw e r ec a r r i e do u tu n d e rt h es a n l ec o n d i t i o nw h i c h g a v ee x p e c t e dp r o d u c t s ( ( i - p d t ) f e ( c o ) 3 f e ( c o ) 2 ( p h 2 p c h 2 c o o h ) ( 1 2 ) a n d ( “一s c h 2 ) 2 n h ( c h 2 c 6 h 4 2 一b r ) f e z ( c o ) s p h z p c h 2 c o o h + 0 0 4 - ( 1 3 ) ，r e s p e c t i v e l y t h e s e e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tb r i d g i n g - na t o mp l a y sa l li m p o r t a n tr o l e 勰ap r o t o nt r a n s f e r r e l a yi nt h i sd e c a r b o x y l a t er e a c t i o n ap l a u s i b l ed e c a r b o x y l a t i o nr e a c t i o nm e c h a n i s mi s p r o p o s e d o nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t a lf a c t s ，t h e s er e s u l t sp r o v i d ee x p e r i m e n t a le v i d e n c ef o r c h e m i s t st ob e t t e ru n d e r s t a n d i n gt h ei m p o r t a n tf u n c t i o no f t h eb r i d g i n g - na t o ma sa l li n t e m a l b a s ei nt h ef e - o n l yh y d r o g e n a s ea c t i v es i t ea n dt h em e c h a n i s mo f e n z y m e t i ch 2g e n e r a 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 nc o m p l e x ；p h o s p h i n ei i g a n d ；d e e a r b o x y l a t i o n r e a c t i o n ；i n t e r n a lb a s e 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：日期： 人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沦文的全部或部分内 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。 作者躲童堆点 导师签名：2 超导帅签名：左趱 翟立 年旦月卫日 ， 大连理工大学博士学位论文 引言 能源是人类赖以生存的物质资源。随着人类进入2 1 世纪，社会发展对能源的需求 大幅提高，在矿物资源有限，污染愈演愈烈并且阻碍人类社会发展的情况下，发展清洁、 高效、有再生循环潜力的环保新能源已成为当今科学研究的重要课题之一。氢能正是在 常规能源出现危机的背景下，令人们所期待的新的二次能源，被科学家誉为理想的含能 载体，氢气释放能量的方式对环境无任何污染。长久以来，由于制取氢气的成本很高， 使氢能只能用于航天等高科技领域。目前常用的工业生产氢气的方法有烃类水蒸汽重整 制氢、甲醇、氨裂解制氢气和电解水制氢气。这些方法有很多缺陷，主要是要采用贵金 属钯、铂作为反应的催化剂，原料昂贵，且能耗大。因而氢气一直不能实现大规模生产。 长期以来，人们一直在研究利用太阳能光解水来获得氢气，而且有了很大的进展。 近年来，随着各种各样分析手段和生物学的发展，人们发现很多厌氧生物体内有一种酶 能够催化质子还原制取氢气。1 9 7 4 年，c h e n 和m o r t e n s o n 从巴氏梭菌中首次分离得到 纯化的氢化酶之后，又从1 0 多种菌类中获得了纯化的氢化酶，并对其结构和功能进行 了广泛的研究。1 9 9 8 年，p e t e r s 和f o n t e c i l l a - c a m p s 等人陆续发表了分辨率较高的几种 氢化酶的晶体结构。根据催化活性中心金属原子的不同，氢化酶主要分为两类：镍一铁 ( n i f e ) 氢化酶和铁一铁( f e f e ) 氢化酶。一些n i f e 氢化酶的活性中心含有硒，称为镍一铁硒 ( n i f e s e ) 氢化酶。其中只有铁一铁硫结构的唯铁氢化酶具有很高的产氢活性，是其它两 种酶的1 0 到1 0 0 倍。因此，目前国际上这一领域的研究热点之一是唯铁氢化酶的合成 和功能模拟。生物化学家利用生物分离的上游技术从微生物中分离出含有唯铁氢化酶活 性中心的蛋白结构，利用现代分析手段对分离出的蛋白结构进行剖析，确定催化活性中 心的化学结构，研究活性结构的各个基团的化学作用和生理作用，以及电子与质子的传 递方式和路径，阐明产氢机理。在此基础上，从事生物无机化学的研究人员对其活性中 心进行化学模拟，合成一系列的 2 f e 2 s 及 2 f e 3 s 配合物作为难铁氢化酶活性中心的结 构和功能模型，并对其催化质子还原产氢性能进行了广泛的探索，提出了很多可能的催 化机理，为揭示唯铁氢化酶活性中心的结构和催化机理奠定了基础。其中最具有代表性 的是美国的d a r e n s b o u r g 、r a u c h f u s s 研究组、英国的p i c k e t t 研究组和法国的t a l a r m i n 研究组的工作。氢化酶活性中心的化学模拟已成为生物无机化学家研究的热点之一。目 前仍有很多问题需要解决，如：( 1 ) 唯铁氢化酶的产氢机理到底经历了一个什么样的过 程? ( 2 ) 唯铁氢化酶活性中心中，桥头氮原予起到一个什么样的作用? ( 3 ) 如何设计稳定 性好且具有高活性的氢化酶模型配合物电催化或光驱动质子还原制氢。基于这些问题， 膦配体取代 2 f e 2 s 配合物的合成、电化学与质子化反应 本论文设计合成了一系列唯铁氢化酶模型配合物，研究了这些配合物的结构特征、电化 学和质子化反应性能。 一2 大连理工大学博士学位论文 第一章文献综述 1 1 引言 。 自从2 0 世纪7 0 年代爆发能源危机以来，能源已经成为制约当今社会可持续发展的 瓶颈。矿物燃料的广泛使用，导致的温室效应，已经对全球环境造成很大的威胁。因此 在设法降低现有常规能源( 如石油、煤等) 环境污染的同时，清洁环保和可重复使用型的 能源成为新能源开发的主流。 氢能是人们寻求的最理想的能源之一。长久以来，工业上主要是用电解水的方法制 取氢气，成本很高，使得氢能只能用于航天等高科技领域。常规制取氢气的催化剂主要 是基于贵金属铂，其价格昂贵，无法实现工业化。因此，人们一直在开发各种技术来降 低产氢的成本，但迄今为止仍然没有找到廉价的制氢催化剂。 自然界中，许多微生物体内的生物酶能够通过“简单”的方法，在温和的条件下将 质子转化为氢气【旧。1 9 3 1 年，s t c p h e n s o n 和s t i c k , a n d 将这种酶命名为氢化酶 ( h y d r o g o a a s c s ) 1 3 。1 9 7 4 年，c h e r t 和m o r t e n s o n 首次从厌氧微生物如巴氏梭菌中分离得 到纯化的氢化酶。当时氢化酶的研究并没有引起科学家们足够的重视。直到上个世纪7 0 年代的石油危机和9 0 年代的环境污染和当今世界的可持续发展等问题日益紧迫，氢化 酶的潜在重要性逐渐被人们所认识( 催化产氢以及燃料电池领域) 。氢化酶能够高效可逆 的催化质子还原为氢气 2 , 4 , 5 1 ，反应所示：2 w + 2 e ；一h 2 。它主要起着两方面的作用，一 是通过氧化氢气给有机生物提供能量，另外它可以作为“电子库”接收和释放电子。根 据催化活性中心金属原子的不同，氢化酶主要分为两类：镍铁( n i - f e ) 氢化酶【】和唯铁 ( f e - f e ) 氢化酶1 2 , 1 3 1 。不同结构的氢化酶具有不同的功能。n i f e 氢化酶主要是氧化裂 解氢气为质子，而f e - - f e 氢化酶主要是还原质子为氢气。而且，f e - f e 氢化酶具有很高 的产氢活性，每摩尔氢化酶每秒能产生6 0 0 0 9 0 0 0 分子氢气 2 , 4 , 5 1 ，是n i f e 氢化酶的l o 到1 0 0 倍，因此更具研究价值。但是相对镍铁氢化酶，唯铁氢化酶对氧气和一氧化碳更 敏感 2 j 口 2 0 世纪4 0 年代至今，科学家们从多种微生物中分离得到了氢化酶，并对其结构进 行了分析鉴定。到目前为止，已有文献报道了4 个镍铁氢化酶【1 4 2 1 1 和2 个唯铁氢化酶【2 2 2 3 的晶体结构，如图1 1 所示( 其中唯铁氢化酶晶体结构中的y 原子代表n 或者o ) 。晶 体结构的解析极大地推动了入们通过化学模拟活性中心的结构来研究氢化酶的功能和 催化机理。 膦配体取代 2 f e 2 s 】配合物的合成、电化学与质子化反应 苓， 冷c y s 1 1 d g i 9 5 a 舶s o 。x i l 。d t z l e l 。d 。p ) 卷胬：盘群删蚓 蕊一 蕊， o 端糍篙：葛嘴)：搿篙璺盖警”“ 必? ；- s 辩h e 4 s i 撇尝裂： ：盘煳流。一， 图1 1n i f e 和f e f e 氢化酶活性中心 f i g 1 1c r y s t a ls t r u c t u r e so f n i f e 】a n d 【f e f e 】h y d r o g e n a s ea c t i v es i t e s 利用氢化酶制氢，目前主要有两种趋势：一种是直接利用氢化酶，包括利用基因改 良的方法，使微生物能够大量释放氢气，或者将分离得到的氢化酶与光敏剂相连接，在 光照射下产生氢气【排2 6 1 。另一种是对已知结构的氢化酶活性中心进行化学模拟，通过人 工模型体系再现自然界氢化酶中氢的氧化还原过程，进而得到廉价的制氢催化剂。由于 后一种方法潜在的可利用性，正在为世界上的科学家所关注。如今，氢化酶活性中心的 化学模拟以及产氢机理的研究已经成为化学家研究的热点。 1 2 唯铁氢化酶活性中心的结构 1 9 9 8 年，美国p e t e r s 研究组从巴氏梭菌中提取出了一类唯铁氢化酶蛋白，并得到了 晶体结构，分辨率为1 8a 2 2 1 ，如图1 2 所示。1 9 9 9 年，f o n t e c i l l a 等人得到了脱硫弧菌唯 铁氢化酶的晶体结构，分辨率达n 1 6a 【2 卦。研究发现，巴氏梭菌唯铁氢化酶与脱硫弧 菌唯铁氢化酶在晶体结构上非常相似。 - 4 - 。白 f 大连理工大学博士学位论文 图1 2 巴氏梭菌唯铁氢化酶的晶体结构：a 氢化酶的立体结构；b 【f e s 】的空间位置及命名 f i g 1 2t h ec r y s t a ls t r u c t u r eo f f e - o n l yh y d r o g e n a s ef r o mc p i ：a ：s t e r e ov i e wo f f e - o n l y h y d r o g e n a s e ；b ：l o c a t i o n sa n dn c a n e n c l a t u r cf o rt h e f e s 】c l u s t e r s 从唯铁氢化酶的晶体结构，我们可以看出难铁氢化酶的活性中心主要是由一个连有 【4 f e 4 s t r 方烷的 2 f e 2 s 单元组成，它们通过一个半胱氨酸的硫原子连接( 图1 _ 3 ) 。 图1 3 唯铁氢化酶活性中心( 氢簇) 结构 f i g 1 3 h - c l u s t e r o f f e - o n l y h y d r o g e n a s ea c t i v es i t e 在催化质子还原过程中， 4 f e 4 s 起着传递电子的作用，【2 f e 2 s 单元负责结合与释 放质子，是催化反应的活性部位。 2 f e 2 s 单元具有准八面体的立体结构，其两个铁原子 彼此通过一个二硫醇桥连接，桥连铁原子的二硫配体由三个原子连接。起初，人们认为 这三个原子均为碳原子，也就是说该桥配体为1 ，3 一亚丙基( - c h 2 c h 2 c h r ) 口刀，连接两 个铁原子的二硫醇桥原子都没有与生物体内的蛋白偶联。随着理论计算和红外光谱研究 膦配体取代 2 f e 2 s 配合物的合成、电化学与质子化反应 的进一步深入，人们认为二硫间的桥为2 一氮杂一1 ，3 一亚丙基( - c h 2 n h c h 2 - ) 【2 8 。3 0 】。氮杂 原子在氧化还原产氢过程中可能起到质子转移的重要作用。通常人们把连有 4 f e 4 s 】簇的 2 f e 2 s 活性中，t h , 称为“氢簇” 2 l 。f 2 f e 2 s 单元中直接与 4 f e 4 s ) 簇福连的铁原子为f e l ， 另一个铁原子为f e 2 。 晶体学和光谱研究表明，每个铁原子均与一个末端的c n - 和c o 配体配位，并通过 一个桥连的c o 连接【3 ”。人们通常认为这类配体对生物体有毒性作用，在此之前从未在 金属生物酶中发现这类配体。唯铁氢化酶活性中心的结构研究表明，无论是氧化态还是 还原惫，二铁间的距离均为2 6 0 - 2 。6 2a ，具有典型的金属键特征 2 2 2 3 | 。而配体c n - 和 c o 的红外特征峰却随着氢化酶晶体所处的不同条件而发生位移，如表1 2 所示，其红外 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l 的不同亦 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、氰基与铁原子之间的电子 反馈，具体表现为配体特征峰位置发生变化，桥羰基的形成与断裂也与铁的价态和l 配 体有关【旧j o , 3 2 1 。因此，可以根据c n - 和c o 配体红外特征峰的变化推断 2 f e 2 s 活性位点 中铁的相对氧化还原状态。 表1 1 脱硫弧菌唯铁氢化酶红外特征峰 型：! ：! ：! ! 竺! 竺! ：竺! ! 坚竺! 竺竺! ! 竺里：丝! 笙 v ( c n - 1 ) ( c m - 1 )v ( c o ) ( c m - 1 ) 测量条件 1 3 唯铁氢化酶催化还原产氢机理 2 f e 2 s 单元中f e 2 原子的许多特征表明f e 2 为产氢反应发生的潜在位点，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，相对于铁原子上的其它配体，与 f e 2 原子配位的h 2 0 分子很容易被取代形成一个催化位点 4 1 。催化质子还原产氢的过程 中，可能涉及两种途径。一是水分子取代后，形成一个空位点，在h + 存在下，形成端h 配位的中间体，再一次质子化形成h 2 配位的中间体，在一定电位下，释放出氢气，完 成一个催化循环。理论计算研究表明氮杂桥中的氮原子可以作为一个质子结合的位点， 从而形成另一条催化途径，如图1 4 所示。唯铁氢化酶的催化机理非常复杂，目前还没 有完全弄清楚。 大连理工大学博士学位论文 寤卜t 瓣卜 陪习 n c 硌c o 厶器。 剖仁。 瓣“爵睡_ 1 4 唯铁氢化酶活性中心的化学模拟 从图1 3 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，与经典的有机 配合物 ( i l s r h f e 4 c o ) 6 】有很大的结构共性。对相关的 2 f e 2 s 配合物的合成、结构和性 质研究已经有7 7 0 多年的历史【3 3 1 。s e y f e r t h 等入在这个领域做了比较系统的工作，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，建立了比较系统的合成方法学f 如蛔。在此基础上，许多化学家开始模拟合成唯铁氢 膦配体取代 2 f e 2 s 配合物的合成、电化学与质子化反应 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，从而找到一种 新的廉价的制氢催化剂。 最初，由于没有确切的晶体结构数据，唯铁氢化酶活性中心的模拟是通过配体的特 征红外光谱数据相似性来确定的。1 9 9 8 年，v i n c e n t 等人合成了以两个二价铁为中心的配 合物， 【f e ”( d s d m ) ( b m e s ) f e “( c 0 ) 2 】( h 2 d s d m = n ，n - d i m e t h y l n ，n 。- b i s ( 2 一s u l f a n y l e t h y l ) e t h y l e n e d i a m i n e ，h 2 b m e s - - - - - 2 - b i s ( s u l f a n y l e t h y l ) s u l f i d e ) ，将配合物 羰基的红外特征峰变化与已知的唯铁氢化酶的相应谱峰进行了比较【3 7 】。1 9 9 8 年唯铁氢化 酶活性中心结构的初步确定，为化学模拟提供了较清楚的结构模式，对于模型配合物的 设计和合成有着指导性的作用。但在太约4 0 亿年前，自然界中就已形成唯铁氢化酶的活 性中心结构 2 f e 2 s 模板。图1 5 归纳t 2 f e 2 s 模型的研究进程。 一4t 0 9 y e a r ， n a t u r e r 瑚t ( m h 码撕 ” 8 e 卅砷h 巾r 时 ? 一一 f e , 4 1 p b e c t 一# l m 图1 5 唯铁氢化酶 2 f e 2 s 模型在自然界的形成及化学模拟的研究进程 f i g ，1 5r e p r e s e n t a t i o no f t h ee v o l u t i o no f 2 f e 2 s i nn a t u r et oy i e l dt h ea c t i v es i t eo f f e h e a s ea n di n c h e n u s t s l a b o r a t o r i e st oy i e l dm o d e lc o m p l e x e s 1 4 1 烷基桥氢化酶模型配合物的合成与表征 1 9 9 9 年，d a r e n s b o u r g 、r a u c h f b s 和p i c k e n 三个研究组分别报道了第一代唯铁氢化酶 【2 f c 2 s 】模型配合物【( l p d t ) f e 2 ( c o ) 4 ( q d 2 】2 - ( 2 ) 的合成( 式1 1 ) 鄹- 4 0 。该配合物与难铁 氢化酶活性中心的结构非常相似，铁铁键间距离为2 5 1 7 1 ( 1 2 ) a ，与唯铁氢化酶活性中 心 2 f e 2 s 】核的f e - f e 距离( 约2 6 0a ) 非常相近，其红外光谱亦非常相近，2 0 7 6c i i 1 - 1 为c 阿 大连理工大学搏士学位论文 的特征吸收，1 9 6 2 ，1 9 2 1 ，1 8 8 3c m - 为c 0 配体的三个主要特征吸收。第一代唯铁氢化酶 模型配合物的合成为其它模型配合物的研究奠定了基础。 nn 下 o c t , 勰c o ：刚c n o c 殿c n o c ”夕8 5 弋c o o c 彳。飞c o o cc on cc o 式】1 第一代唯铁氢化酶活性中心的的化学模型配合物 s c h e m e l 1 t h e f i r s t g e n e r a t i o n o f t h ea c t i v es i t e o f f e - o n l y h y d r o g e n a s e 同时，他们对配合物1 的c n - 取代c o 反应机理进行了详细研究。如图1 6 所示， d a r e n s b o u r g 等人的研究表明【( p p d t ) f e 2 ( c o ) 6 】与 ( m e 3 s i ) 2 n l i 反应可以得到单氰基取 代配合物【( p d t ) f e 2 ( c 0 ) 5 ( c n ) - ( 3 ) ，配合物3 进一步与c n - 反应得到双氰基取代配合 物2 ，因而说明单氰基取代配合物可能是生成双取代配合物的中间体 3 8 , 4 1 l 。然而， r a u c h f u s s 等人认为c n - 亲核进攻f e ( c o ) 3 单元，形成单取代c o 桥连的过渡中间体，在 过量c n - 的存在下，c n - 亲核进攻另一个f e ( c 0 ) 3 单元，形成c n - 双取代c o 桥连的过 渡中间体，随着羰基的解离，生成c n - 双取代配合物2 1 3 9 , 4 2 】。在p m e 3 c n - 混合配体的存 在下，配合物1 快速生成p m e g c n - 取代配合物 ( z - p d t ) f e 2 ( c o ) 4 ( p m e 3 ) ( c n ) r ( 4 ) 。但是， 生成的c n - 单取代配合物3 即使在过量p m e 3 作用下，也是缓慢地生成p m e 3 c n - 取代配 合物4 。配合物l 与c n - 直接反应生成2 的速率比单氰基取代配合物与c n - 的速率快， 说明对于双取代配合物的生成，必然经过桥连羰基过渡态的形成。 膦配体取代f 2 f 也s 】配合物的合成、电化学与质子化反应 ( 。) 3 ，z s ! 垫, sf e f c o b 俐 前 。 n 一 脚k ，够吲嘶罟举娜 ：暂，- c 0 + p m e 3 n 2 。门 一 耻炒螂删， n 玉 ( n c x 。c 1 2 f d ! ! s ：二：s f 。( c 。) 2 ( c n ) 2 黜r 毋 n 。n 。o c k ，z ! 壁垒h 。毯p m 蚴 图1 6 配合物1 的羰基取代机理 f i g 1 6p o s s i b l ec o - d i s p l a c e m e n tm e c h a n i s mi nc o m p l e x1 d a r e n s b o u r g $ 1 j r a u c h f u s s 等人对羰基铁硫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合成、配体交换和质 子化研究等方面提供了许多实际可行的合成路线。 d a r s b o l l r g 研究组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 】 结构入手，用与氰基配体相类似的p m e 3 配体取代氰基来提高铁铁键的碱性，合成了 ( 扯- s c h 2 c h 2 c h 2 s ) f e 2 ( c o ) 4 ( p m e 3 ) 2 】为代表的一系列三甲基膦配体修饰的二铁配合物 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 2 f e 2 s 结构化 学活性的影响】，并成功地合成得到了该配合物的质子化产物羰基双铁氢化物【4 3 卅】( 式 i， c 大连理工大学博士学位论文 1 2 ) ，其p m e 3 配体双取代配合物及质子化产物的晶体结构非常相似。f e - f e 距离分别为 2 5 5 5 ( 2 ) a 和2 5 7 8 ( 1 1a ，与唯铁氢化酶活性中，l , 2 f e 2 s 单元的f e - f e 距离( 2 6a ) 非常相 近。该研究组还考察了在紫外光照射下，氢化酶模型配合物对底物h 2 d 2 ，h 2 d 2 0 ， c 2 h d d 2 之间h d 交换的催化作用【4 5 1 4 7 1 。 蒜警 v ( c o ) 1 9 7 9 f 9 4 2 1 8 9 8c m 2 0 2 9 1 9 8 9c m l h n m r - 1 5 3 lj h * 2 2h z 式1 2 羰基二铁氢化物的制备及表征 s c h e m e1 , 2p r e p a r a t i