（有机化学专业论文）新型2fe2se唯铁氢化酶模型物的合成、结构及性质研究.pdf

南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法 ，我校的博士、硕士学位 获得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文 ( 包括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论 文，并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将 公开的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检 索、文摘以及论文全文测览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向 教育部指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和 中国学术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文 数据库，通过其相关网站对外进行信息服务同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p y 2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答 辩；提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字： 氇銎注 2 0 1 0 年5 月2 8 日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目新型 2 f e 2 s e 唯铁氢化酶模型物的合成、结构及性质研究 姓名 冯翠萍l 学号l 2 1 2 0 0 7 0 5 4 1 l 答辩日期1年月 日 论文类别博士口学历硕士一硕士专业学位口高校教师口同等学力硕士口 院系所化学学院i专业i有机化学 联系电话 1 3 8 0 3 0 0 5 7 4 9 i e m a i ll f e n g e p m a i l n a n k a i e d u c n 通信地址( 邮编) ： 备注： l 是否批准为非公开论文 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表 。罄徘审革砚翦孝拦讳非戡申鬲草地毒￥拦掣删谚萃观珥奔拦移非勘 锋图辫蕈兽专瑟( 劬丝￥一) 氧藓晕勤甲。革拱科毒明千鞋、千斟阜蚶明士群辫雍茸娶锋斟斟宰：器 显 茸砚妊非能裂榭显瞽 ：7f ：( 嘴卿) 弭孵鲁；t u 3 n p o l b ) l u 冒u 。i ! 芭u j 逗d 3 暑u a di l e m 6 分厶s 0 0 e 0 8 ei 娶印当独 杀矾衅阜 环每 嘲奈杀科i 妙显酬 口千班华杀岛刨口蛳辚珥掣 口可嘉环牟千避一千、亟绀杀口千斟n f 椠茸拱 目厶乙日s 南0 i o 乙酶目蜒嚣l l r g o l 0 0 乙iz 鲁赤磐岔鳅零弼 延拉驾科疆阱粝、搿号明卿赢辫鞠矶匿赣和 o s z ：0 4 z 瑶蜷 目劈茸观 冒哥晕勘萃拱翦毒甭草地毒￥妊单 厂 l 目厶皆9 鸯4 o e 蔫驴：专焉y 译群磊霉助 。掣禺勘锋囤哇翻雨距抱甲船鲤摹一暑器件碑群章。军群娶丁牟秘晕刨y 宰 。百目y 卓甲酱詈智业靼蒜刨业图啤鹾一晕单朝茸现卓驾掳与列士卑茸祺砑奈明覃静：籀 嚣茸砚释礤昼# 智勤鲷貊毕勤晦刨蹲隆杀杀￥妊单翠瞽茸砚砑秦明y 卓：密凄y 牢 。u a q 。x o p u ! 1 0 0 8 ：1 9 i 。o z 。i l 乞o 驯：d 硼。辚回勘肆固罂互革瞽列壬印茸现 。茸砚捶影刨暂掰哇藁瞥g 毋搏暂础艳群瞠革誓蟛吲业甲刮酶墨哥茸观爵杀妊影非 。瞠砰朝茸拱擎髯章 聱科茸翠禺哿y 卓轴刨。暂邵冒兽身檠q 每牲辚回* 群茸裂聚割鐾：焉 茸现砑秦翠畔y 劲冀硝士印并谣茸拱砑杀朝囤娶举群蕈辨群猕印士审( 萼咪) 吐鹾半泰国中 咄抬琶抱冒粤群性圄七叫珥杀砰群岩勘茸砚码秦( 争) 2 茸砚再秦朝妊汤蕞暂珂责犁群僻旦磷 掣杀￥妊单犁酶￥阜僻曼骥群诽( e ) 。暂础冒署谭葛岛蘑i 、甄晦茸弓茸砚召诵9 l 蚱茸、肇 觋咨目茸砚艳鬻丁回国蹲翠罄在| 1 甭蛳掣弭希瞥鳕瞬岛乳肆固翠僻壤k 劾茸砚码杀明拦妤 琳懦卫珥杀明目搬性唑素骥椠( z ) 。窜辫壕茸弓茸拱码素千逊斟杀￥妊掣y 哟茸 砚珥杀币延搬掣 ! i 硝圭哗酉斜茸蕈由黪、由獾酎卷询巫罂杀( 硎士印谣章嘈由彗狮辨母) 茸砚砑嘉迈鬣犁酵群彭巧岩勘罪砑杂( i ) ：d 首砰出珊茸观珥杂朝掣圈鞑犁群累砰勤是 翠阜瞬杀￥拦单。罩群醯暑鲫出胜咄毽劲茸观珥杀苇延地￥草素￥妊掣鹄上弓举y 卓 。到士胃珂群暂卓彗狮茸现砑杀辅y 章蕞瞥杀￥拦鳝叫蟛瞬岩台； 疆 珥杀千丝、千捌朝辫雄餮哗蟊葛目胜哇碟劲茸砚珥索雨延掖士￥杀￥妊鳓群诽 毕碑群茸科萃孤科毒毒￥妊掣 一 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所 取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包 含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：氇墨莲2 0 1 0 年5 月2 8 日 非公开学位论文标注说明 根据南开大学有关规定，非公开学位论文须经指导教师同意、作者本人申 请和相关部门批准方能标注。未经批准的均为公开学位论文，公开学位论文本 说明为空白。 论文题目 新型 2 f e 2 s e 唯铁氢化酶模型物的合成、结构及性质研究 申请密级 口限制( 2 年) 口秘密( 1 0 年)口机密( 2 0 年) 保密期限 2 0 年月曰至2 0年月日 审批表编号 批准日期2 0年月日 限制2 年( 最长2 年，可少于2 年) 秘密l o 年( 最长5 年，可少于5 年) 机密2 0 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 中文摘要 摘要 唯铁氢化酶是一种具有高效催化质子生成氢气及其逆反应的金属酶，氢气 又是一种清洁的理想能源，所以对其活性中心结构和功能的模拟研究己成为国 际化学研究领域的前沿和热点。为发展唯铁氢化酶仿生化学，本论文开展了对 含 2 f e 2 s e 蝶状簇的新型唯铁氢化酶活性中心模型物的合成研究工作，取得了如 下创新性成果： 1 本文设计合成并表征了1 4 个含有 2 f e 2 s e 蝶状簇的新型唯铁氢化酶活性 中心模型物，它们均经过元素分析、瓜、1 hn m r 、7 7 s en m r 表征，部分化合 物还经3 1 p n m r 以及m s 表征。并运用x 射线衍射技术测定了其中5 个新模型 物以及另外2 个已知f e s ( s e ) 簇合物的单晶结构。 2 在本文第二章中，我们通过对桥头含有羟基的丙撑桥( p d d 类 2 f e 2 s e 模 型物【 s e c h 2 h c h ( o h ) f e 2 ( c o ) 6 进行羰基取代以及桥头羟基的酯化反应，合成 了 以- s e c h 2 ) 2 c h 0 2 c c s h 4 n - p f e 2 ( c o ) 6 ( 1 ) 、 【以- s e c h 2 1 ) 2 c h o c o p h f e 2 ( c o ) 6 ( 2 ) 、【以- s e c h 2 ) 2 c h o c o c 4 h 3 0 2 f e 2 ( c o ) 6 ( 3 ) 、 【以- s e c h 2 ) 2 c h o h f e 2 ( c o ) 5 ( p p h 2 i - i ) ( 4 ) 、【- s e c h 2 ) 2 c h o h f e 2 ( c o ) 5 ( p p h 3 ) ( 5 ) 、 【以一s e c h 2 ) 2 c h o h f e 2 ( c o ) 5 2 ( d p p e ) ( 6 ) 、 泓- s e c h 2 ) 2 c h o c o p h f e 2 ( c o ) 5 ( p p h 3 ) ( 7 ) 、 泓s e c h 2 ) 2 c h o c o c 4 i - 1 3 0 2 f e 2 ( c o ) 5 ( p p h 3 ) ( s ) 。新型唯铁氢化酶活性中心模型 物1 8 均经过了元素分析和谱学表征，并通过x 射线衍射技术进一步确证了其 中4 个单晶分子结构。还研究了其中具有代表性的两个化合物的电化学性质。 3 在本文第三章中，我们首次合成了4 个光敏剂卟啉及金属卟啉和简单的 2 f e 2 s e 】蝶状簇以共价键连接的光驱动唯铁氢化酶模型物 5 - p 【f e 2 ( c o ) 6 - s e c h 2 ) 2 c h 0 2 c p h e n y l - 1 0 ，1 5 ，2 0 - t r i p h e n y l p o r p h y r i n ( 1 ) 、 5 p - p p h 3 f e 2 ( c o ) 5 ( j y s e c h 2 ：) 2 c h 0 2 c p h e n y l 一1 0 ，1 5 ，2 0 - t r i p h e n y l p o r p h y r i n ( 2 ) 、z i n c 5 - 仞- p p h 3 f e 2 ( c o ) 5 ( p s e c h 2 ) 2 c h 0 2 c p h e n y l 一1 0 ，1 5 ，2 0 - t r i p h e n y l p o r p h y r i n ( 3 ) 、 n i c k e l 5 - p - f e 2 ( c o ) 6 ( , u - s e c h 2 ) 2 c h 0 2 c p h e n y l 1 0 ，1 5 ，2 0 - t r i p h e n y l p o r p h y r i n ( 4 ) ， 所有这些化合物均通过元素分析、1 hn m r 、77 s en m r 和瓜表征，部分化合物 还通过了3 1 pn m r 以及m s 的表征。特别是还得到了其中一个化合物 5 - p - p p h 3 f e 2 ( c o ) 5 ( p - s e c h 2 ) 2 c h 0 2 c p h e n y l - 10 ，15 ，2 0 - t r i p h e n y l p o r p h y r i n ( 2 ) 的 中文摘要 单晶，并用x 射线衍射技术测定了其结构。研究了它们的紫外可见和荧光光谱， 推测可能存在分子内光致电子转移。还研究了其中代表性的三个化合物的电化 学性质。 4 在本文第三章中，我们还首次合成了2 个光敏剂金属卟啉和简单的 2 f e 2 s e 蝶状簇以配位键连接的光驱动唯铁氢化酶模型物 【以一s c c h 2 ) 2 c h 0 2 c c s h 4 n - p f e 2 ( c o ) 6 z n t p p ( 5 ) 和 【以- s c c h 2 ) 2 c h 0 2 c c 4 h 4 n - p f e 2 ( c o ) 6 n i t p p ( 6 ) ，它们均经过元素分析、m 、1 h n m r 、7 7 s en m r 表征，同时还研究了化合物6 的紫外可见以及荧光光谱，推 测可能存在分子内光致电子转移。 5 在本文的附录中，我们合成了已知的f c s 簇合物 【m e s 一川f e 2 ( c o ) 6 p - s c ( p h ) = n p h - 山( 1 ) 以及 f e s e 簇合物 m e s e p 】f e 2 ( c o ) 6 p - s e c ( p h ) = n p h ( 2 ) ，并首次用x 一射线衍射技术测定了它们的 单晶结构。 关键词：唯铁氢化酶电子转移光敏剂卟啉金属卟啉【2 f e 2 s e 簇单晶结构 f e 峪簇合物f e 、s e 簇合物 a b s t r a e t a b s t r a c t s i n c et h ef e o n l yh y d r o g e n a s e sc a ne f f e c t i v e l yc a t a l y z ep r o t o nr e d u c t i o nt o h y d r o g e na n dh y d r o g e ni sah i g h l ye f f i c i e n ta n d c l e a n ”f u e l ，t h es y n t h e t i c ，s t r u c 删 a n df u n c t i o n a ls t u d i e so nf e - o n l yh y d r o g e n a s em o d e l sh a v er e c e i v e dg r e a ta t t e n t i o n i nb i o m i m e t i co r g a n o m e t a l l i c c h e m i s t r y i n o r d e rt o d e v e l o pt h e b i o m i m e t i c c h e m i s t r yo ff e - o n l yh y d r o g e n a s e ，w eh a v ec a r r i e do u tas t u d yo nt h es y n t h e s i s ， s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e s o fas e r i e so fn e wm o d e lc o m p l e x e sf o r t h ef e o n l y h y d r o g e n a s ea c t i v es 慨w h i c hc o n t a i nb u t t e r f l y 【2 f e 2 s e 】c l u s t e rc o r e s t h em a i n r e s u l t so b t a i n e df r o mt h i ss t u d ya r ea sf o l l o w s ： 1 i nt h i st h e s i s ，at o t a lo ff o u r t e e nn e wm o d e lc o m p o u n d sf o rt 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 ea l ei n c l u d e d , w h i c ha r es u c c e s s f u l l ys y n t h e s i z e da n df u l l y c h a r a c t e r i z e db ye l e m e n t a la n a l y s i s ，i ra n d1 hn m r , 7 s en m rs p e c t r o s c o p y s o m e o ft h e ma r ef u r t h e rc h a r a c t e r i z e db y 了1 pn m r , a sw e l l 嬲f i v er e p r e s e n t a t i v e sb yt h e s i n g l e - c r y s t a lx - r a yd i f f r a c t i o nm e t h o d s ha d d i t i o n , a n o t h e rt w ok n o w nf e s ( s e ) d u s t e r sa r es y n t h e s i z e da n dc o n f m n e db yx r a yd i f f r a c t i o nt e c h n i q u e s 2 i nc h a p t e rt w o , e i g h tn e wp d tm o d e l sc o n t a i n i n g 【2 f e 2 s e 】c l u s t e rc o r e s ， n a m e l y ( f l s e c h 2 ) 2 c h 0 2 c c s h 4 n - p f e 2 ( c o ) 6 ( 1 ) ， 泓- s e c h 2 ) 2 c h o c o p h f e 2 ( c o ) 6 ( 2 ) ，【以- s e c h 2 ) 2 c h o c o c 4 h 3 0 - 2 f e 2 ( c o ) 6 ( 3 ) ， 【m s e c h 2 ) 2 c h o h f e 2 ( c o ) 5 ( p p h 2 f i ) ( 4 ) ，【 一s e c h 2 ) 2 c h o h 】f e 2 ( c o ) 5 ( p p h 3 ) ( 5 ) ， 【以- s e c h 2 ) 2 c h o h f c 芝( c o ) s 2 ( d p p e ) ( 6 ) ，【以- s e c h 2 ) 2 c h o c o p h f e 2 ( c o ) 5 ( p p h 3 ) ( 7 ) ，【 - s e c h j ! ) 2 c h o c o c 4 h 3 0 2 f e 2 ( c o ) s ( p p h 3 ) ( 8 ) a r ed e s c r i b e d t h e y a r e s u c c e s s f u l l ys y n t h e s i z e db yd i r e c tc os u b s t i t u t i o na n de s t e r i f i c a t i o no ft h ep a r e n t m o d e lc o m p l e x 【( f 一s e c i - 1 2 ) 2 c h ( o h ) f e 2 ( c o ) 6 ，n l e ya r ea l s of u l l yc h a r a c t e r i z e db y e l e m e n t a la n a l y s i s ，l g , 1 hn m ra n d 77 s en m r s p e c t r o s c o p y s o m eo ft h e ma r e f u r t h e rc h a r a c t e r i z e db y3 1 pn m r , a sw e l l 硒f o u rr e p r e s e n t a t i v e sb yt h es i n g l e c r y s t a l x - r a yd i f f r a c t i o na n a l y s i s i na d d i t i o n , t w or e p r e s e n t a t i v ec o m p o u n d sa r ei n v e s t i g a t e d b ye l e c t r o c h e m i s t r y 3 i nc h a p t e rt h r e e ，f o u rn e wl i g h t - d r i v e nm o d e lc o m p o u n d sn a m e l y i ! i a b s t r a c t 5 一 p - f f e 2 ( c o ) 6 0 - s e c h 2 ) 2 c h 0 2 c p h e n y l ) - 10 ，l5 ，2 0 一t r i p h e n y l p o r p h y r i n ( 1 ) ， 5 p - p p h a f e 2 ( c o ) 5 ( , u - s e c h 2 ) 2 c h 0 2 c p h e n y l - 1 0 ，1 5 ，2 0 - t r i p h e n y l p o r p h y d n ( 2 ) ， z i n c 5 - 仞一 p p h 3 f e 2 ( c o ) 5 ( , u s e c h 2 ) 2 c h 0 2 c p h e n y l 1 0 ，1 5 ，2 0 一t r i p h e n y l p o r p h y r i n ( 3 ) ， n i c k e l 5 - 仞- f e 2 ( c o ) 6 ( p - s e c h 2 ) 2 c h 0 2 c p h e n y l - 1 0 ，1 5 ，2 0 - t r i p h e n y l p o r p h y r i n ( 4 ) a 托r e p o r t e d t h e ya l es u c c e s s f u l l ys y n t h e s i z e da n dt h e i rs t r u c t u r e sh a v eb e e nf u l l y c h a r a c t e r i z e db y1 hn m p , 7 7 s en m r , i ra n de l e m e n t a la n a l y s i s i na d d i t i o n ，s o m eo f t h e ma r ef u r t h e rc h a r a e t e d z e db y3 1 pn m ra n dm s t h em o l e c u l a rs t r u c t u r eo ft h e r e p r e s e n t a t i v e 5 p p p h 3 f e 2 ( c o ) 5 0 - s e c h 2 ) 2 c h 0 2 c p h e n y l - 1 0 ，1 5 ，2 0 - t r i p h e n y l p o r p h y r i n ( 2 ) i s c o n f i r m e db yx - r a yd i f f r a c t i o nt e c h n i q u e s t h eu v - v i sa n df l u o r e s c e n c es p e c t r ao f t h er e p r e s e n t a t i v em o d e lc o m p o u n d sa r ei n v e s t i g a t e d ，w h i c hi n d i c a t e st h a tt h e i n t r a r n o l e c u l a re l e c t r o nt r a n s f e re x i s t sb e t w e e nh 2 t p pp h o t o s e n s i t i z e ro rm t p p ( m = z n , n i ) p h o t o s e n s i t i z e ra n dp d ts i m p l em o d e lw i t ha 【2 f e 2 s e 】c l u s t e rc o r e i n a d d i t i o n , t h r e er e p r e s e n t a t i v ec o m p o u n d sa 他i n v e s t i g a t e db ye l e c t r o c h e m i s t r y 4 i n c h a p t e r t h r e e ， a n o t h e rt w on e w p h o t o 。d r i v e n m o d e l s 以- s e c h 2 h c h 0 2 c c s h 4 n - p f e 2 ( c o ) 6 z n t p p ( 5 ) a n d k u s e c h 2 ) 2 c h 0 2 c c s i - 1 4 n - p f e 2 ( c o ) 6 n i t p p ( 6 ) a r es u c c e s s f u l l ys y n t h e s i z e d t h e s t r u c t u r e so ft h et w on e w c o m p o u n d s a r ef u l l yc h a r a c t e r i z e db y1 hn m r , 7 s e n m r , i ra n de l e m e n t a la n a l y s i s t h ei n v e s t i g a t i o no nu v _ v i sa n df l u o r e s c e n c es p e c t r ao f r e p r e s e n t a t i v ec o m p o u n d ( 5 ) i n d i c a t ea ni n t r a m o l e c u l 盯e l e c t r o nt r a n s f e rf r o mt h e p h o t o e x c i t e d z n t p pm o i e t yt ot h e c o o r d i n a t i v e l y b o n d e dp d ts i m p l em o d e l c o n t a i n i n ga 【2 f e 2 s e 】d u s t e rc o r e 5 i i lt h e a p p e n d i x ，t w o f e sa n df e s e c l u s t e rc o r e s n a m e l y i v i e s i - t f e 2 ( c o ) 6 1 l - s c ( f h ) = n p h - i t 】( 1 ) a n d m e s e l a f e 2 ( c o ) 6 1 a s e c ( p h ) = n p h 】( 2 ) a r e s y n t h e s i z e da n d t h e i rs t r u c t u r e sa r cf i r s tc o n f i r m e db yx r a yd i f f r a c t i o n t e c h n i q u e s k e y w o r d s ：f e - o n l y h y d r o g e n a s e s ， e l e c t r o n t r a n s f e r , p h o t o s e n s i t i z e r , m e t a l l o p o r p h y r i n ，【2 f e 2 s e 】c l u s t e rc o r e ，c r y s t a ls t r u c t u r e ，f e sc l u s t e r , f e s ec l u s t e r i v 中文摘要 英文摘要 目录v 第一章前言1 1 1 唯铁氢化酶活性中心结构的研究2 1 2 含 2 f e 2 s 蝶状簇的唯铁氢化酶活性中心化学模拟研究4 1 - 3 含 2 f e 2 s e 蝶状簇的唯铁氢化酶活性中心的化学模拟研究1 0 1 4 含光敏剂的唯铁氢化酶模型物的合成及性质研究。1 3 1 4 1 将光敏剂联吡啶钌和唯铁氢化酶模型物结合起来的催化制氢体系的研究1 4 1 4 2 将光敏剂卟啉及金属卟啉和唯铁氢化酶模型物结合起来的催化制氢体系 的研究。l5 参考文献1 7 第二章含 2 f e 2 s e 蝶状骨架的p d t 型唯铁氢化酶模型物的合成、结 构以及性质研究2 5 2 1 含 2 f e 2 s e 蝶状骨架的p d t 型唯铁氢化酶活性中心模型物1 - 8 的合成与 表征2 6 2 2 部分化合物的电化学性质研究4 5 2 3 实验部分。5 0 参考文献5 4 第三章含卟啉及金属卟啉的 2 f e 2 s e 氢化酶模型物的合成、结构和 v 目录 功能研究5 6 3 1 含卟啉及金属卟啉的 2 f e 2 s e 模型物1 - 6 的合成及结构表征5 7 3 2 部分化合物的电化学性质研究7 1 3 3 化合物1 5 的紫外可见光谱和荧光光谱7 6 3 4 实验部分8 2 参考文献8 6 附录a 新型蝶状f e s 和f e s e 簇合物的晶体结构测定8 9 结果与讨论8 9 实验部分9 6 参考文献9 7 致 射9 8 作者简介9 9 v i 第一章前言 第一章前言 由于煤、石油、天然气等传统能源不但总量有限且无法再生，使用时还容 易污染环境，能源危机、环境污染以及人们对可持续发展的渴望，使得开发新 型、清洁的能源迫在眉睫。氢气与传统的能源物质相比高燃烧值、高热效率、 零污染，是一种清洁、高效的理想能源【。所以氢气这一地球未来理想的能源 逐渐成为人们关注的焦点。如何高效的制得氢气就成为摆在科学家面前的重要 课题。 s t e p h e n s o n 和s t i d d a n d 2 1 两位科学家于1 9 3 1 年首次发现一类能够可逆地催化 氢分子氧化与生成的金属蛋白酶，并命名为氢化酶。氢化酶广泛存在于甲烷菌、 醋酸菌、绿海藻、光合细菌和固氮菌等许多微生物体t 3 j ，不同生物体内的氢化 酶结构差异较大，根据氢化酶活性中心所含金属种类、数目及结构不同，氢化 酶一般分为唯铁氢化酶 4 1 、镍铁氢化酶【5 1 、和单铁氢化酶 6 1 。其中唯铁氢化酶催 化质子还原生成氢气的效率是镍铁氢化酶和单铁氢化酶的1 0 1 0 0 倍【7 1 ，在理想条 件下，从脱硫脱硫弧菌中分离出来的唯铁氢化酶( d d h ) 每秒能催化生成9 0 0 0 摩尔 的氢气【8 】；从巴氏梭菌中分离出来的唯铁氢化酶( c p i ) 每秒能催化生成6 0 0 0 摩尔的 氢气1 9 1 。 然而天然氢化酶热稳定性差，提取分离困难，限制了人们对它的利用。因 此对天然氢化酶活性中心进行化学模拟，通过人工模拟合成高效廉价的催化制 取氢气的催化剂成为摆在科学家尤其是化学家面前的非常有前景的重要课题。 近年来关于氢化酶生物技术应用、活性中心结构、催化机理、生物合成方面的 研究工作取得了重大进展i l 例。 对唯铁氢化酶的活性中心h - c l u s t e r 的结构研究是唯铁氢化酶化学模拟研究 的基础；同时，对唯铁氢化酶的化学模拟研究也可以帮助生物化学家和生物物 理学家对活性中心的深入了解。在本章内容中我们对此两方面的内容做一简单 的介绍。 第一章前言 1 1 唯铁氢化酶活性中心结构的研究 p e t e r s 课题组于1 9 9 8 年报道了以1 8a 的分辨率测得的从巴氏梭菌( c p a s t e u r i a n u m ) 中分离出来的处于氧化态( h o x ) 的唯铁氢化酶的晶体结构( c p i ) p a j 。 得知c p i 的活性中心( 也称h 簇) 是由一个【4 f e 4 s 】立方烷子簇和一个 2 f e 2 s 蝶状 子簇组成的。【4 f e 4 s 立方烷子簇和四个半胱氨酸硫配位，其中三个半胱氨酸与 蛋白质骨架相连，一个半胱氨酸残基的硫原子与 2 f e 2 s 子簇中的一个铁原子相 连。 2 f e 2 s 子簇中，标记靠近 4 f e 4 s 的铁原子为f e p ，远离 4 f e 4 s 的铁原子为 f e d ，铁原子呈八面体配位构型，一个c o 和一个c n 分别与每个铁原子以端基 模式配位，分别占据铁原子配位的基点位置，另外一个c o 与两个铁原子对称 地桥式配位。五个基团都居于f e f e 键的同一侧，另一侧两个桥式硫原子分别 与两个铁原子配位。配位能力弱的水分子占据f e d 的顶点位置。由于c o 和c n 配位能力很强，配位能力弱的水分子占据的位置就成为氢化酶的底物，即氢分 子或质子的结合点。两个桥式硫之间的原子由于分辨率的原因不能确认。由于 c o 和c n 具有相同的电子数，电子密度非常相似，依据镍铁氢化酶活性中心存 在c o c n 。与铁原子的配位模式f j l l ，同时根据对唯铁氢化酶和镍铁氢化酶傅立叶 变换红外光谱的研究结果 h d 2 】确认了c o 和c n 。后来p e t e r s 课题组【1 3 】在一氧 化碳环境中培养出巴氏梭菌( cp a s t e u r i a n u m ) 的单晶，并测得了处于一氧化碳抑 制态( h 。一的唯铁氢化酶活性中心的晶体结构，分辨率为2 4a 。晶体解析结 果表明，h 傩态中的水分子被外来的c o ( c o ) 取代了，并与c o 处于反式位置。 f o n t e c i l l a - c a m p s 研究组于1 9 9 9 年报道了从脱硫脱硫弧菌( d d e s u l f u r i c a n s ) 中 分离得到唯铁氢化酶氧化态( h 0 x ) 的单晶结构( d d h ) u 4 1 ，分辨率为1 6a 。与p e t e r s 课题组所得至u c p i 氧化态晶体结构基本相同。不同的是将两个桥式双硫间的轻原 子被指认为1 ，3 亚丙基( c h 2 c h 2 c h 2 ) 。f e a 的顶点位置为空配位点，不再被水分 子占据。 2 第一章前言 - 丸并 职c k x h i 一醇 w i ? c ，- b h 簖x n 簖 聪、淤e p 学o c n c y i 、 d hh 。杏活性中心结构d d hh 州态活性中心结为 图1 1c p i 氢化酶( h 帆，h 矗一c o ) 和d d h 氢化酶( h 弧，h 捌) 的h - c l u s t e r 结构。图中x - - - - c h 2 ， n h 或者o f o n t e c i l l a - c a m p s t 开究组于2 0 0 1 年又测得了处于还原态( h r c d ) 的唯铁氢化酶的 单晶结构( d d h ) 【1 5 l ，分辨率为1 8 5a 。d d h 氧化态晶体结构中，与两个铁原子桥 式配位的c o ，在d m 还原态的晶体结构中，以端基或半桥模式与f e d 配位，f e a 的顶点位置也为空配位。因为桥联双硫桥头原子与周围蛋白质环境中半胱氨酸 硫( s c a = 3 1a ) 可以形成氢键，f o n t e e i l l a - c a m p s 研究组推测，桥头原子可能是氮 原子。2 0 0 8 年p e t e r s 和s z i l a g y i t l 6 】报道了用密度泛函理论对蛋白质环境3 5 3 9a 内的双硫配体进行最优化后，综合考虑结构、构象及能量因素，认为双硫配体 间的桥头原子应该为氧而不是氮。所以至今还是不清楚桥头原子究竟是c 、n 、s 或o 原子。 2 0 0 9 年t h o m a sh a p p e 和m i c h a e lh a u m a n n 等人报道了绿藻莱茵衣藻中唯铁 氢化酶活性中心晶体结构( c r h y d a l ) p b 】，晶体解析结果同细菌中唯铁氢化酶活性 中心相应部位相同，其中 4 f e 4 s 簇中f e f e 键长为2 7a ， 2 f e 2 s 簇中f e f e 键长 为2 5 a ，f e c 以及f e - n 、f e s 、f e 0 键长也同细菌中唯铁氢化酶中的非常相似。 唯铁氢化酶活性中心( h 簇) 中 4 f e 4 s 立方烷子簇和蛋白质表面之间分布 着几个彼此之间距离小于1 4a m 的 4 f e 4 s 簇( f 簇) ，f 簇将外来电子通过h 簇 的 4 f e 4 s 】立方烷子簇传递给h 簇的 2 f e 2 s 子簇，进而传递给质子产生氢气，或 者将唯铁氢化酶活性中心氧化氢分子后产生的电子传递到蛋白质表面。 对唯铁氢化酶活性中心h - c l u s t e r 结构的研究，不但促进了氢化酶生物制氢 技术方面与生物化学领域的研究，同时金属有机化学家们通过对氢化酶活性中 第一章前言 心h - c l u s t e r 结构的化学模拟进行了大量的研究。幸运的是 2 f e 2 s 金属蝶状簇合 物早在七十多年前由r e i h l e n 等【1 7 】首先发现，1 9 5 8 年h i b e r 等【1 8 】合成了最重要的 蝶状铁硫簇合物以s 2 ) v e 2 ( c o ) 6 ，这类蝶状 2 f e 2 s 簇正好是唯铁一氢化酶活性中 心h c l u s t e r 结构的主要部分，这类化合物丰富的金属有机化学内容引起了化学 家们的极大重视【1 9 1 ，并根据h c l u s t e r 的结构特征( 图1 2 ) 完成了大量的化学模拟 研究工作。由于s e 与s 属于同一个主族，近年来又发展起来了对性质和结构均 与【2 f c 2 s 】类似的【2 f e 2 s e 】簇合物的研究工作 2 0 1 。将卟啉光敏剂引入唯铁氢化酶 活性中心也成为研究的热点【2 。 图1 2h - c l u s t e r 的结构特征 1 2 含 2 f e 2 s 蝶状簇的唯铁氢化酶活性中心化学模拟研究 二十世纪八十年代s e y f e r t h 等人已经报道了瞄，2 3 ，2 4 1 通过两种方法得到的丙 撑基的【以一p d t ) f e 2 ( c o ) 6 1 的合成，一种是用双硫醇与f e 3 ( c o ) 1 2 在甲苯中加热 回流得到，近几年又有几例【凋利用这种方法合成桥头碳原子官能团化的p d t 模 型物，如模型物3 6 ；另一种是用0 - $ 2 ) f e 2 ( c 0 ) 6 为原料经过双硫负离子中间体 f e 2 ( s l i ) 2 ( c o ) 6 】( 2 ) 与双卤代烃反应得到的。 蚴f 差。篇恭。f 2 垫甙c 毒毗f 凰击 s f c 2 f l 4 第一章前言 f e 3 ( c o ) i 2 + rr 3 4 聃( c o h 2 甲苯r e f l u x 【m s c h 2 ) 2 0 f c 2 ( c o ) 6 ( 9 ) 2 6 1 ： 垆& 。急公o b 幺 。f 墓e 。c q 3 c f 3 c o o 7 砭l i u c c c h 也。e t 3 n ：c o ) a 2慕。盥ss(cich2)ao3 。 2 0 0 1 年r a u c 蠊】s s 研究组还报道了一类a d t 模型物 f c 2 ( y s c h 2 ) 2 n r ) ( c o ) 6 】 【2 钔，它们是用两种不同的方法合成的，其中一种是以 f e 2 ( s l i ) 2 ( c o ) 6 】与 5 ( 1 ) ( c h 2 0 ) n 譬 洲：兰要b - ，篇掣 _ 嚼( k 竽，e 卜正+ r 镧 ( c h 2 0 ) n 。n 、f e 2 ( s h ) 2 ( c o ) 6 孙立成研究组陋，3 0 】也报道了用类似的方法合成的两个此类模型物 ( r = p - i c 止1 4 ，p - m c d - i ) 。我们研究组用 f e 2 ( s h ) 2 ( c o i ) 6 】与p - c h o c 砒h c n ( c h 2 c l h 反应的方法也得到了a d t 类模型物1 0 但印c h o c d - h ) ，类似上述方法也得到 了多例氮杂双硫桥唯铁氢化酶活性中心模型物1 0 皿印m e o c d h ， p - m e c ( h c 6 h 4 ，p - m e c o c d - h ) 3 1 j 。 为了进一步研究这类 2 f e