（有机化学专业论文）用曲线交叉法研究辅酶nadh模型化合物还原反应机理.pdf

摘要 n a d ( p ) h 是在生物体内的氯化还原反应中起着重要作用的辅酶。辅酶 n a d ( p ) h 模型化合物和各种底物之间还原反应的机理问题一直受到人们的关注 和广泛酶研究。奉论文王俸藤是围绕辅酶n a d 壬壬模型位仑耪亿学反瘦视疆研 究这一焦点开展熬。论文包括文献综述秘三部分的工馋。 ( 1 ) n 一氰基口一漠甲基肉桂酝胺和i 一苄基1 ，4 - 二氢爝酰胺( b n a m 的光诱导反应 和热反应研究。 8 氰基娶溴甲基痰桂致胺与b 蝌毂光诱导反应褥至4 ( e n 鬣基彝甲萋 肉桂髋胺和( z ) n 氟蒸p 一甲基肉桂酰胺。用盘旋捕获技术检测到反应中间体， 鼹示反应是通过电子转移- 脱澳夺氢机理进行。同样的底物与b n a h 在6 0 c 煞暗中反应得到- 氰基- - 警基岗桂酰胺和一个篪氧二聚产物：2 ，7 二氰藿3 ， 6 二苯基+ 辛2 ，4 ，6 - 三爝- l ，8 一二醺胺。基予产物分辑、阻攘实验和锺黪伏安豹 数据，提出了电予转移脱溴一歧化的反应机理。 ( 2 ) 1 苄麓一l ，霹二氢烟酸胺( 麟矗国还潦l ，l - 一二( 对位取代苯基) - 2 ，2 一二磷基 乙烯羡瘦极；理疆究：揍熬的魄子转移一氢转移枫理。 作为本课题缎前两工作( j c b m s o c p c r l 【i n2 ，2 0 0 0 ，6 4 9 ) 的延续，哉们研究了 五种l ，1 一= ( 对位取代苯基) 一2 ，2 一二硝基乙烯与b n a h 在乙腈中除氯避 光条件下的反应戳及在氧饱帮静忍腈中避光祭俘下的反反。蓉予氧化产物察 还原产物豹魄铡，动力学硬究，动力学鼹经素效应，我们不仅仅进一步证实 了关于具有部分共价键形成部分双自由基特征的过渡态的存在，还揭示了取 代基豳的属性对极性机理与电子转移机瓒的竞争莱系的影响。 f 3 ) l ，1 二( 对甲氧基苯蒸) 2 ，2 二趟基乙爝秘l ，1 二( 邻甲氧基苯基) - 2 ，2 一二硝 基乙烯与b m 蛆的反应机理研究 1 ，1 二( 对甲牵c 基苯基) 2 ，2 二硝基乙烯与卜苄纂一l ，4 一二氢烟酰胺( b n a l ) 在 黼气乙精中爱应褥到l ，1 二( 对甲戴蓉苯基) o 2 - 二硝蒸乙烷，蠢在同样条 l 牛下l ，1 二( 邻串畿綦蔓萎基) 1 2 ，2 。二硝基乙烯不与烈a h 反应，邀为协同 的电子转移一氢暇子转移机理提供了证据。 a b s t r a c t n a d | l sa ni m p o f 协n tc n z y m e 壤撼p 1 8 y s 嚣v i t 菇糟酶洫b i o l o 磐髓l 剃o x 掩a 溺锄s ，1 1 糖 m e c h 鞠i s m f e d u c t i o n 。fv 甜0 璐s u b s 打a l e s b y e 蝴硼en a d ( p ) hn l o d e l sh 拈b e e n e x t e n s j v e i ys t u d i e d 粕dc 洳咖u e st ob eo f j n t e r e s t n j st h 髂i si sc o n c e m e dw j mt 1 1 es t u d y0 n 船 r e a c t i o nm e c h 枷s m o f n a d ( p ) hm o d e i s ，w h i c h n s 随o f t l l r e ep 躺f o 秘o w i n g 趣醅e f 糟v i e w 涟 t h ea f e 箍 ( 1 ) p h o t o i n d u c e d 妣dt h e m l a lr e a c t i o n so f o c y a l l o - b _ b r o m o m e m y l c i n n 啪i d e 、v i t t i 1 国e n z y l - 1 ，4 d i h y 蛔j c 棚n 啪 d e n a 珊 霹1 ep h 饿o # d 珏e e df 嚣t l o no f q l c y 强。一圣南糟m o 搬e t h y l c i n n 蹰l d ew i 也b n a hp r c l d u c 幅a m i 煳嫦o fl h e 循) - 黼d ( z ) 眦糟o fa 喈y a n o - b - m 咖y l c i n n 啪j d e u s i n gs p i 小订a p p n g t e c h n i q u ef o rm o n n o r i n gm a c t i v ei n l 瑚m e d i 融e ，i ti s s h o w nt l i a tt l i er e a c t i o np 邶唰d 8v i a e l e c 雠o nt 糟舾场卜d e b f o m i 悯t i o n - h 曲s 臼t i o nm e c h a 硒s m 羽_ l et 垂l 嘲破瓣a c 蛀。拄o f 站s 锄e s u bs l 】r 矗重ew l 如b n 焘娃采6 0 。ci n 协ed 鑫嫩爨v 蟠t 虹e e 删l l e 招：h e ( e ) 勰d ( z ) - i s 鲫e r so f 8 - c 弘渺b m e 姆i c i 册蝴i 如粕d ad e h ) r d r 埘i m 州cp r 叫u c t ：2 ，i c y a n 瞄，6 锄p h e n y l o c 诅- 2 ，4 ，6 - t r - e 小l ，8 d i o i c 啪i d e b 瓣d o np r o d u c t 釉a l y s i s ，s c a v e n g 时e x p 盯蚰e n ta l i dc y c 珏e v o i t a m m e n m 锄e f e c 仃o nn 锄s f 薛d c b r o m 蕊娃i 蠢i s p m p o 州o l l 墨畦。n 掇蛔糠s m l sp p o s e d + ( 2 ) r e a c t i o n s o f l ，l - d i s u b s 虹t u t e d p h e n y i - 2 ，2 - d i n m 咄y l e 雌s w t 也 1 - b e n 掣i - l ，4 - d 岫d r 0 - n i c o “n 枷j d e ：e v i d e n c ef o r c n n c e 埔嘣e i e c t 舯h y c h 寸鲈n a t o m 谢琏眙r m e c h 毫i i 洲 a s 锄e x t e i l s i o no f o w p r e v i o u sw o m 口礴啪s o e 融漉2 ，勰隧6 4 9 x 攮e 戚瞅i 。糨o f f v el ，l i ( p 鞠b 惑i 抛捃d 洳臻y l 殍 2 司弧i 舡蛩e 也y l 鞠ew 也b n a hi na 船n i 虹l e nt h ea b s e n a n di nm ep s e n c eo fo x y g t 嫩w e r ei “v e s t i g a l e d b 鹪e do nt h e 托n oo fo 蝴d a l i l p d u c t 协 坤d u c t i o np r o d u c t ，k i n e t i c s 锄d ，i ) i s 咖p ee 镬糖w c 棚en o to 糠y 菇l e 姆列翻靛。氍 p r e v 摊se o | l c l 毽s i 锄。f 鑫雕a ld i 触c 毡| 鞠dp a f t 触c o v a l e n lb o n d i n g 缸雹船陆o n s 协t eb i l ta i s o t od e m o n s 订g t en l ec o m p e t 嗽o no fs e 盯蛐dp o i 舯p 棚a y sb yv i m 峙o f t l l en a n 越屯o f 翻 s u b s t i t u e n tg r o q ，s ( 3 ) t h e r 篁堪c t o no f1 ，1 0 i 妒瓣l l l a x y p h 眦i y l 2 ，2 - d i n i 们e 恃i y l 姐e 嗽d i ，l m i 咖 m e 出o x y p h e n y i 艺，厶d i n i 订岫i e n ew i m b n a h l ，1 - d i 缸m e i l l o x y p h 朝孵) - 2 ，2 q 磕瓣钾搬y l e 辩f e 黻黯w l l 薹l 南e 糙鹾l 4 搬列r 砥曲撼m - 如 f b n a 琢濂d e 糍毪刚曩翎【o 撼撼l 棼钯g ；v el ，l - d 够l n 醴抽x y p h 髑y 1 ) 叠2 娟眦r o 砌粕e ，州i e l ，1 捌扣哪e l h o x y p b e n y l ) 名2 - d i i i i t r o e t h 舭e 蛳l s t 0m 毗w i 胁b n a h 瑚d e rt h e8 锄e c o n d n 如衅t h em 刚t sp 阳i d ee v i d e n f o ro 响os l i b g 吐m e n t 罐破s u p 鲫畦n g 壮c o n 甜捂d e l e c 仃o n h y 出o g e n 蛳嗍栅l s 南f m b 8 l l i 辜辩。 珏 1 引言 第一章文献综述 烟酰胺腺嘌呤二核营酸及其还原态和它们的磷酸脂( 分别为n a d ，n a d h ， n a d p ，n a d p h ) 是在生物体内的氧化还原，新陈代谢中起重要作用的一种辅 酶。啦例如它参与将乙醇氧化为乙醛，将丙酮酸盐还原为乳酸的新陈代谢过程。 在生物体的呼吸链中，它将燃料分子的高能电子通过在线粒体内层膜的电子转移 链，传递给电子的最终受体氧。辅酶n a d p h 的许多反应都是在马肺醇脱氢酶 ( h l a d h ) 的催化下进行的，h l a d h 不仅提供n a d p h 反应的场所，还络合 z n 2 + ，提供n a d p h 反应所需的催化中心。在大多数生化反应中，n a d p h 和m 牺h 之间有着根本的区别，n a d h 被呼吸链氧化以产生a t p ，而n a d p h 则在还原性 的生物合成中用作氢和电子的供体。n a d p h 上额外的磷酸基是一个靶子，它是 为这一分子辨认酶的目的而设的。 r - i n a d h r = p 0 3 h 2 m p h ( t h er e d u c e df o i m ) ( t l l eo x i d df 0 珊) 一h 辅酶n a d ( p ) h 的活性中心是尼古丁酰胺的二氢毗啶环，在n a d ( p ) h 与 n a d ( p 1 + 的相互转化中，变化的净结果是发生一个形式上的负氢转移。对于这种 形式上的负氢转移究竟经历的是哪一种反应历程，文献中存在着不同观点：一是 直接的一步负氢转移过程，二是以电子转移为先行步骤的多步过程。3 - 6 p m s s 和s h a i k 详尽地5 2 q 4 分析了s n l ，s 州l ，s n 2 反应类型，用构型混合模 型理论把电予转移途径和极性机理进行了比较，认为两者所经历地过渡态具有共 同的特征，即电子转移。他认为电子转移机理和极性机理之间是根据电子转移过 程和键形成过程的协同程度来区分的，而且两种机理之间存在中间机理，即电子 转移和键形成同时进行，电子转移比键的形成要早一些。这些理论可以应用于辅 酶n a d ( p ) h 模型化合物的负氢转移过程中。5 7 常用的n a d h 模型化合物有三种：b n a h ，h e h a c r h 2 。 e 雄揖 b n a h h e h a c f h 2 2 一步负氢转移机理的文献报导 u k p 锄d i t 等7 利用三元环不稳定，易开环的性质，用负氢试剂n a b h 4 和 自由基引发剂分别与n 一( 环丙基亚甲基) 苯胺做了对照实验，发现在与n a b h 4 的反应中，得到加氢还原的产物，而在与自由基引发剂的反应中，则通过电子转 移历程得到开环产物。又用辅酶n a d h 模型化合物唧与之反应，发现反应的 结果与n a b 弛的反应结果一致，因此认为h e h 还原n 一( 环丙基亚甲基) 苯胺 的反应经历的是负氢转移历程。 啦一m o 杖一 删 被h 一置一礼h悦呻一a 一 他们还研究了l n a d h 模型物唧还原2 一氧化一4 一芳基一3 一丁烯一l 一 酸乙酯的反应。当用4 位全氘代的眦h 反应时，发现模型物上的氘转移到不饱 和酯的t 位，对照反应证明，产物中t 位上的氘在实验条件下与溶剂中的氢不发 生交换。 目 ? h p h c h 2 c h 2 8 c o o e t - 卜 p h c h 2 c h 土h c o o e t p h c h 2 c h 2 c c o o e t - 卜 r n o h 2 u h 型u h u u u i ：1 tb oo h p c h 。c h ：3 c o o e 。p 。c h d c h ：3 d c o o 戳p h c h d c h 2 c c o o e t l 卜p h c h d c h 2 e d c o o e t tb 2 一少 f 少 戡0oc on帖也 c 3 胃 屺t 骱h 嘤点c 椭如眙鲥矗如。艮洲- _ c h 点c 。日 丫b q m l l r m y 等9 应用区分酶催化反应中多步反应机理和协同反应机理的多步同 位素效应( m i e ) ，如下图中所示，研究了水和氘水中 9 1 h 2 】1 0 甲基吖啶和 【9 2 h 2 】1 0 甲基吖啶与对苯醌的还原反应的一般酸催化速率常数。 + d 2 0 + h 2 0 1 - h 2 + q 删 bc o n r l 耐m e c l i a n b m ，：腆、 - h + + o h 2 + a 一 反应如果经历多步电予转移历程，其中包括酸催化的电子转移和一般碱催化 l h 2 + 的脱质子步骤，由于氧化氘溶剂中，溶剂动力学同位素效应对第一步酸 催化电子转移的作用会部分掩蔽第二步正离子自由基碱催化脱质子的动力学同 删獭嫩捌及碍但氢涉撕，糍哙魁牡肿 媲潞卜骱 一一一 一一 一一一一一 tf、 溉碓觚剃新一一燃弓膊腿；葶；溉 一一一 位素效应，因此，在h 2 0 和d 2 0 中测出的动力学同位素效应是不同的。而对于 协同的一步负氢转移，只有一步是对同位素敏感的，对反应自由能的影响是平行 的a 因此在h 2 0 和d 2 0 中测出的动力学同位素效应应该一致。在a c r h 2 和a c r d 2 与苯醌的反应中，反应的动力学同位素效应与溶剂的同位素性质无关，得出反应 经历协同的负氢离子转移历程的结论。 k r e e v o y 等人”测量了l ，3 一二甲基2 一取代苯基一苯并咪唑啉与n a d + 类似物：吡啶盐，喹啉嗡离子及菲啶嗡离子之间负氢离子转移的速率常数和平衡 9 洲2 渊呼瞄通 6 ： 良 2 n 、n 亡h 3 0 + r ：a 。c h 2 c e h 5z ：p - c h 舢h 。p - f 。p - c i b 。c h 3 n f 肿c l m 州- c 1 2 对于每一个氧化试剂的反应都给出一个斜率为a 的线性的m 舯s t e d 曲线，a 值规 律的随反应的自发性而改变，并且很好的符合了m 哪瑚理论的预测。由此他们 认为包含了高能中间体的多步机理是不太可能的。 d ( i n 彤 o 2 丽 程津培，朱晓睛等人观察了h m t z s c h 醣还原n 一氰基一肉桂酸乙醑和卜 苯基亚乙基丙二腈的反应。 h 鼍三辩+ 蹬竺：钙+ 驯“ 通过动力学测量，得到h l 眦m 嘣线性自由能关系，其p 分别为1 7 8 ，1 6 7 这些 正的p 值说明在氧化剂苯环附近反应中心的负电荷形成包含在决速步骤中，说明 反应机理可能是按一步负氢转移或者电子转移进行，而不是中性的氢原子转移。 进一步的研究反应的动力学同位素效应发现k h 瓜d ( c 4 - d ) ，为5 6 - 6 0 ，而且魁e 和 通过热力学计算得到的活化参数g 都与取代基的。值成很好线性关系，这些 结果表明反应是通过直接一步负氢转移进行。 另外他们还研究1 2 了h 姐t 蠲c h 醑及4 位烷基取代的h l 眦t z 8 c h 醣与n o p y l i 啪 阳离子( t + b f 4 ) 的反应，通过动力学测量，得到h 锄m e t t 线性自由能关系，其 。为一1 1 6 ，k h 瓜d 为4 1 6 。通过比较这些反应的动力学和热力学，他们认为反应 不是通过以电子转移为先行步骤的多步过程进行的。 4 h b f 9 h r ：o c h 3 ，c h 3 ，h t r o p y i i u mc a t i o n c i ，c n n 0 2 根据动力学测试和热力学计算以及探针分子的反应结果，一步负氢转移机 理的观点也在文献中1 3 2 0 被提出。 3 以电子转移为先行步骤的多步机理的文献报导 在文献中，同时也有很多支持以电子转移为先行步骤的多步过程的报导 2 1 一。这其中光诱导的辅酶n a d ( p m 模型化合物的还原反应，普遍被认为是以 电子转移的链式机理进行的。 例如，s f uk i l 刁l m i 等人”研究了n a d h 模型化合物m q a h 与卤代烷烃的 光诱导反应，通过阻抑实验和细节的动力学分析，认为反应是通过一个电子转移 的链式机理进行。 j i n ， 3 6 0 m i n i t i a t i o n ：b n a h _ i 卜b n a h + + 一 b n a h + + p h c h 2 b r i 卜b n a h + p h c i 2 b f p h c h 2 b ，一- 皇生p h c h 2 。+ b r _ p m p a g a t i o n p h c h 2 + b n a h ! 竺竺兰竺p h c h 3 +b n a p m p a g a t l o n ：p h c h 2 + b n a h ，卜p h c h 3 +b n a b n a 。+p h c h 2 b r 卜b n a + + p h c h 2 b ，一 t e 衄i n a t i o n ： 2p h c h 2 。+ p h c h 2 c h 2 p h n 。0 n 0 等人2 2 研究了光照下a 一硝基腈类，a 一硝基酯类及一硝基酮类化 合物与b n a h 的反应，发现b n a h 可以选择性的用氢取代硝基，而不影响其它 基团。由阻抑实验的结果，推测反应通过自由基链式机理进行。 r受 足 懿 n 旱c h 2 c h 2 _ y + 一l 。旱。h 2 c h ：吖+ “n 。i e t 卜c h 2 c h 2 _ y + b n a h e t 十c h 2 c h 2 - y + b n an 0 2 n 0 2 h y = c o m c ，c 0 0 m c c n c o o r e t 卜c h 2 c h 2 c n + b n a hb n an 0 2 心矿茫，虬+ b n a h2 二h 矿r 内+ 蹦r n x 。飞扩c 午_ r l r 2 + b n a h 一扦飞扩f p l r 2 + b n a n 0 2 0n o 一oh 在自然界中的氧是以三线态存在的，生物体内基态辅酶n a d h 不能将电子 直接转移给氧，而要通过黄索，辅酶q ，细胞色素等将电子间接地转移给氧。 f u k u 舢i 等人”研究了氧气饱和的乙腈中，有或无h c l o 存在下，n a d h 辅酶 模型a c r h 2 及b ! 雌h 光照下的反应结果。 在有h c l 0 4 存在下的乙腈溶液中，0 2 被激发态的a j c r h 2 两电子还原为 h 2 0 2 ，反应的量子产率与a j c r h 2 的浓度和光强度平方根的倒数成正比，在高浓度 a c r h 2 的情况下，量子产率大大超过1 。这明显地说明反应经历了自由基链式机 理。 0 2 a 删：上。船h 2 二一( a 戚+ 0 2 一) 0 2 + h h 冒 h 2 q + 0 2 口嘞 而在氧气饱和的中性乙腈溶液中，a c r h 2 光照下的产生 c r ；o 和a - 盯旷，通 过e p r 实验确定反应的链载体是a 删0 2 ，而不同于有h c l o 存在下，反应的链 载体：h 0 2 。 6 州 也筘 帜伽 卜h e 加 a c r h 2 + a 口 i o h + o ， a 盯皇o l r h + 0 2 一， 在水溶液中光诱导b n a h 还原氧0 2 同样经历一个自由基链式反应f 与 h c l 0 4 存在下a c r h 2 光照反应机理相似) ，产生b n a + 和h 2 0 2 。 最近，f u l ( 1 l 舀埘i 等人2 4 还研究了一系列光诱导下辅酶n a d h 模型选择性的 单电子或双电子还原c 印的反应。当用b n a h 或二聚体n a ) 2 还原激发的三线 态c 6 。时，c 6 0 被单电子还原得到c 6 0 一。 c 旦+ 七+ e l e 咖nt 舳也r i + + 一 量9 h 2 + 婴竺or 丫”。+ k s e c 删e l e c 口o “ + c 垫咝l +cb g + b 2 此反应的极限量子收率为瓯= 1 1 3 ，n a ) 2 作为两电子的给体，产生两当量 的c 6 0 一。 当用另一种辅酶模型物a c r h 2 在含有三氟乙酸的苯甲氰溶液中可见光照射 下还原c 砷时，则发生两电子转移得到产物1 ，2 c 6 沮2 。经量子收率，动力学同位 素效应，及淬灭反应的研究，发现反应是光诱导的电子转移链式机理进行的。 7 9 k 叮 加 一 叩一n + ki 呲 f u k l l 刁功j 等人2 5 还研究了一些包含c 印受体和其它给体的高效的能量传递 系统，z n p - c 印和z l l p - h 护- c ，它们可以使得能量爬坡的n a d h 模型物与h 麟y l o l o g e n 的电子转移反应得以进行。 节洲h 2 嬲 6 h 2 p h 我们课题组也在这方面做了一些工作2 6 锄，如最近的发表2 。在c 阮矾c o 小m 上的工作。辅酶n a d h 模型化合物l o 一甲基一9 ，l o 一二氯吖啶在光诱导下与9 一芴基乙叉丙二膊反应生成一个自由基偶合产物。由产物结构推知反应是按以电 子转移为先行步骤的多步机理进行的。 西+ 半 函喇 i fip o 洲勺肾洲蔗y 旬“ v ：主 监 除了上述的一些光诱导的辅酶n a d h 模型化舍物的反应被解释为自由基链 式机理外，也有一些酶反应中的电子转移反应被报导。 t c b n l i c e 等人很早就开始进行辅酶n a d h 的机理研究。他们主要通过量 化计算的方法对酶体系中的反应进行研究。他们报导了2 9 用n 甲基一1 ，1 0 一二 氢吖啶( m a h ) 和n 甲基一1 ，1 0 一二氘代吖啶( m a d ) 还原强单电子氧化剂 f e ( c n ) 6 的反应经历如下过程：( 1 ) f e ( c n ) 6 单电子氧化反应产生自由基正离 子m a h ”；( 2 ) 从m a h ”的c ( 1 0 ) - h ( d ) 发生一般碱催化的吸氢反应，产生中性 自由基m a ；( 3 ) m a 快速地被f e ( c n ) 6 单电子氧化给出产物m + ) 。各种一 般碱催化的反应m a h 。一m a 如：水，甲酸，乙酸，咪唑溶液中的反应速率常 数被测定。其动力学同位素效应分别为7 1 0 ，4 6 ，5 4 ，5 6 。这些比较大的动 力学同位素效应暗示氢转移的过渡态应该有隧道效应。通过跗r h w a y si i 方法 计算n a d p h 与卟啉类化合物h y p e m l e n t 曲np r o t o p 0 叩h r y i n - ( p p 一) 之间电子 隧道路径。认为h i s 2 3 4 和h i s 7 4 的咪唑环可能作为n a d p h 还原反应的一般碱 催化剂。两种可能的路径被提供：( a ) 1 4 d h n j i u 唧p r 0 1 5 0 1 1 1 r 1 4 9 j u m p 诅s n l 4 7 j u n l p - v 时lc h 2 = c h - 【p p - p y r r o l er i n gc f e ，圆) 1 4 d 矾j u m p p r 0 1 5 0 - m 1 4 9 - h b o n d s e r 2 1 6 0 硼1 p c h 2 _ c h - p p - p y r r o l er i n gc 】- f e 。其反应的机理可显示如 下： 随后，t c b n l i c e 等人3 0 又用h a r 吨e f o c k 口6 拥打f o 的计算方法对n a d ( p ) h 模型物在牛的过氧化氢酶中单电子氧化反应进行了研究。得到其自由基正离子中 间体的脱质子反应的能垒为7 1 lk a “m o l ，动力学同位素为k i k d = 5 3 8 ( 氢 氧化物) 或3 6 4 ( 咪唑) 。此文献对反应的过渡态及氢转移的隧道效应都给予了 说明。 另外，i m 眦i s h i 等人3 1 在研究辅酶n a d ( p ) h 中到底是哪一个前手性的氢被 选择性转移时，对手性辅酶模型物3 - 对甲苯基亚磺酰基一1 ，4 一二氢吡啶还 原苯甲酰甲酸甲醑的反应进行了研究，认为是与磺酰基成顺式的m 被选择性的 9 鐾蹙：囹堕些较了此反应速率和4 ，4 一二氘代的辅酶模型物的反应速率，发现 宴塑惹没有什么差别。根据这些现象，他们认为反应是通过e 矿e 的多步过程 进行的，并提出了反应的三重复合体的结构( 如下) ， b n n ：，k r 叩匕舀r r 山她b t i 惝岫咖哪l 酬一她 囊嘶o nt o 啊口细l 舶 认为由于亚磺酰基的s - 0 键比较酰胺基而言，有效地限制了氢释放的立体选择 性，由此可能降低了h s 转移所需要的能垒( 见上面的势能图) ，而使得第一步的 电子转移成为反应的决速步骤。 对于n a d h 模型物与苯醌的反应，文献中出现了各持己见的现象。l l m i l l e r 等人”在研究中发现不同的p h 值对反应的速率没有影响，在对苯醌的反 应中动力学同位素效应为1 6 3 1 ，在3 ，5 一二叔丁基邻苯醌的反应中为4 2 。 由此他们认为反应不是通过电子转移的机理，但不排除速控步氢转移一电子转移 的机理。 而f l l l ( 嘞i 等人玎测量了从辅酶模型到对苯醌衍生物的负氢转移速率，并进 行了热力学计算，根据如下理由认为反应通过下式的历程进行。 舢：钉fh 。 r ，y h3 + q 产l p y h 2q 】产l p 归v + q - 。】一【p y h q h 】= 野r i + + q h j 封- 柏 ( 1 ) l o g b s d 可以被表示为从辅酶模型到对苯醌的电子转移的g 糊姆能量的函数， ( 2 ) 一级动力学同位素效应的改变可以定量地由下式得以解释，氢的确是以质 子的形式进行转移( 3 ) m 矿对反应的加速或者阻碍的作用也可以用下面显示的 电子转移机理定量的预测( 4 ) 光诱导的电子转移和以电子转移为初始步骤的暗 反应之间反应性能的差异，根据下图所示可以解释为外部电子转移和内部电子转 移中使活化复合物分离的能量w p 的不同。 a o l l i l o 等人3 4 在研究此类反应时，发现反应的一级动力学同位素效应总是 大于产物中同位素的比例( w 】，d ) 。在没有镁离子加入时，吸电子能力不是太强的 底物中y y d 增加了，而在镁离子存在下，y y d 一直都比较小。 誓叠釜翟言 他们仔细分析了立体决定步骤( e l e c 拄o nt r a n s f e r ) 和决速步骤f p r o t o n t r a n s f e r ) 对于反应物中同位素比例的影响，认为反应是由产物决定步骤和决速步 骤分离的多步过程进行的。 最近，f 1 l k i 聊m i 等人”对于辅酶n a d h 模型化舍物与对苯醌的新的反应类 型：金属催化的环加成反应进行了研究。在s c ( o t f ) 3 的作用下，l 。苯基一4 一叔 丁基一1 ，4 一二氢烟酰胺( 卜b l l b n a h ) 和b n a h 都可以和对苯醌在乙腈溶液中 发生 2 + 3 】环加成反应，而没有此催化剂的存在时，环加成反应不发生。 f 2 + 羔 o n h 2 在乙腈中s c 3 + 与t - b u b n a h 和b n a h 形成1 ：4 的复合物，而在对苯醌和s c 3 + 之 间没有作用。通过与s c 3 + 催化的从c o t p p 到苯醌的电子转移反应的动力学研究 进行对比，认为该反应的机理是金属离子催化的电子转移反应历程。用弱的 l e 、) l ，i s 酸l u ( o t f ) 3 ，y ( o t f ) 3 ，和m g ( c 1 0 4 ) 2 代替s c ( o t f ) 3 进行催化，发现除了发 生环加成反应，还发生了负氢转移反应。 c h 2 p h +j ( b ) b 州l 【f - b j d 二2 m 。+ 旷一 2 m ”叫 l b n 五q 霄m 睁】 h + 一l 州-￥点 心 州 卧 u c 讯 卟 b 一“ 卜f b 扑扩盘薅。锄 。 + 2 hn 十洲杰y洲 杰y 洲 在文献中”1 1 也主张辅酶_ n a d ( p ) 的反应以电予转移为初始步骤的多步机理 进行。 k n h o u k 。吴云东等人”，1 3 用量化计算的方法对辅酶n a d h 模型与质子化 的吡啶离子的反应进行了研究，发现在过渡态中两个毗啶环发生堆积成顺式的构 型在能量上是最为有利的，其中吡啶环轻微的堆积成船式构像。当3 位的酰胺基 成顺式时，由于酰胺基的n h 2 和“位非转移氢的空间相互作用使得氢转移轻微的 去活化，而当3 位的酰胺基成反式时，由于c 4 的极化作用，氢转移的活化自由能 被显著的降低。这个结果对于为什么辅酶n a d ( p ) h 中存在酰胺基及为什么在很多 脱氢酶中辅酶总是成反式构型的问题提出了解释。 4 同时包含了一步负氢转移和电子转移两种机理的文献报导 除了上述一些单独持负氢转移和电子转移机理观点的文献外，还有的文献 讨论了由于取代基的改变，底物氧化还原电位的不同导致一步负氢转移和电予转 移机理发生转化。 d d t a 蛐髓等“彤使用a 一卤代苯乙酮与n a d | i 忉脚i 玎0 忉e 及b n a h 的反应，如果反应按一步负氢离子转移历程应生成羰基还原产物，按多步电子转 移机理则应生成脱卤产物。 一步负氢转移机理： p 童一c h 2 ) ( 堂p 旧h 2 x j l 懈恶h 2 x 电子转移为先导的多步机理： 曰 n a o h p h c c h 2 x 。+ o p h c c h 2 x ：苎：p h 蔓一c h 一塾垒堡生p h 毒_ c h 3 。+ p h c c h ， r n o o 九3 1 2 实验发现，n 一氟代苯乙酮，n 一氯代苯乙酮和n 一溴代苯乙酮与 n a d 舳l a d e 反应时，氟代和氯代苯乙酮的产物时旋光纯的羰基被还原的产 物，间二硝基苯对反应没有明显抑制作用。而与n a d h 反应时，氟代物和氯代 物反应活性差而不被还原；溴代物的反应产物只有苯乙酮，且受到间二硝基苯的 抑制作用。当活性较强的n ，n 一二氯代苯乙酮与n a d h 反应时，得到a 一氯 代苯乙酮，苯乙酮和少量未去氯而羰基被还原的产物。n 一卤代苯乙酮与b n a h 的反应情形与n a d h 相类似。由此他们得出结论： ( 1 ) 辅酶n a d h 及其模型物b n a h 与n 一溴代苯乙酮和d ，一二氯代苯 乙酮反应经历电子转移历程； ( 2 ) n a d 驯h l a d e 与n 一氟代苯乙酮和q 氯代苯乙酮反应经历的是一步 负氢离子转移历程； ( 3 ) n a d h ，m a d e 与q 一溴代苯乙酮反应经历的是电子转移历程。 w a d 锄等人4 6 选用3 一卤代1 ，2 一二氧杂环丁烷化合物l 作为探针分子， 研究其与辅酶_ n a d h 模型物：n 取代一l ，4 一二氢烟酰胺和1 0 一甲基一9 ，1 0 一二氢吖啶的反应机理。 如果反应按照负氨转移机理进行，则应该生成二醇2 和环氧化合物3 ，如下： 邺。口。呲。，曼2k 阻蚴1 一。鼍捌土上1 蜊j 如果反应经历自由基反应机理，则应该生成酮4 和酮5 。 o o h 。c n 一”c h 归 b r c h 2c h 3 ro o 。 ih 。c ”- 卜0 “c h ：b r l b r c h 2c h 3 0 一 b r h 。少c h 2 b ，一 h 3 c 1 c h 2 b r b 心h 2c h 3 邺，冉h 3 c ”卜1 。 b r c 也c h 3 3 o 处4 八 降n - = j l i _ j ! _ 一 a c r h 2l 9 63 p h - n a h 2 9 3 43 34 b n - n a h 2 1 4 62 5 8 b n n a h m m 惦( 5 m o 眺) 1 78 l l1 p r _ n a h1 2 8 l52 p r - n a h m - d n b ( 5 m o l 峋 89 0 l c = 。+ 一一 。一 用以下两个反应物和生成物的构型来构建曲线交叉模型，也发生了电子转移，电 子由n n 轨道转移到矿c o 轨道，完成亲电加成反应。 1 9 n f0 sb 毛一6 l f i g u 伸1 3s 协t ec o n e l 撕d i 鸭m mf o r 鲫s n 2 他硎o n t h el d w 盯s 协l e sa 糟孽佣n ds 蛳嚣o f n t a n t s 柚d p m d u c 晦w h i l e t i l eu p p 盱s 眦髂a 托t h e c o n 屯s p o n d i 嵋c h a 喈e t r a 峭向s 眦s 声培t h e d e g r o f a v o d e dc m 豁i i 唱ei st l l e 托a c t i o nb 删盯 由以上的叙述可见：电予转移机理与极性机理都包含了电子转移。决定一个 特定的反应按什么机理进行，在于电子转移后两个电子成对的可行性任何阻碍 电子成对的因素都会使反应机理由极性机理向电子转移机理转化。以下详细讨论 决定反应按极性机理或电子转移机理进行的各个因素： j ( 1 ) 电子受体和电予给体的电子结构的作用 。 有机化合物与碱金属的反应一直被认为是s e t 机理，碱金属与别的亲核试剂 的不同在于碱金属给出唯一的一个价电子后，再不能与电子受体a 发生化 学作用，所以是s e t 机理。电化学还原也与此类似另外考虑如下的质子转 移反应： h ：h b l b t h ：b l 一 从自由基负离子b l ：( 比如二苯乙炔自由基负离子) 转移一个电子后，在 b l 上没有留下不成对电子与氢原予成键，所以反应是一个自由基过程。 ( 2 ) 电子受体一电子给体授受能力的作用 越好的电子受体一电子给体对，意味着电子转移在反应坐标上发生得越早 ( f i g u 坞1 4 ) ，共价键的形成在过渡态中占的比重就越小，反应机理向s e l 机 理转移。 ( 3 )电子受体和电子给体的空间相互作用 分子间存在大的空间位阻时，电子转移机理更可能发生。而分子间的空间 位阻小时。极性机理可能发生。这是因为极性机理需要共价键的形成，而 要成键，两个反应物必须接近到成键距离( 电a ) 。当空间位阻大时，成键 难于进行，反应会按照电子转移机理进行。 r e c n 0 nc 0 咖n t e f i g u r e1 4s c h e m 瓶c 伽r g yd i a g r a r ns h o w i n g m ee 仃e c to f s 诅b i l 妇i o no f t l l ed + a c o n 6 9 i l 糟t i o nc u r v e ( d d dl i n e ) 0 n b o t t l 也ee n e r 盱o f m ec h a r g e 仃蚰s f hb 朗d ， v ，f o rt l l ed a c o m p l e x 啦d n l e 删v 砒i o n b a m e r ，b ；b o t l i 加趴d e a m 托d u c e d ( 4 ) d a 键强度的影响 形成的d a 键的强度越大，在曲线交叉模型中，构型d ，a 一的能量曲线就越“陡”， 使得反应的活化自由能就越小，反应机理向极性机理转化。 【诬 ( p 口i - r j b e a c t l 硎c 船i n 靶 f l 驴r e 1 5s c h e m a t i ce r g yd i a g r 哪i l l u s 州吣t h ed a d + a c m s s 抛f o rc o m p e t i n g s e ta n d p o i a rp 舳w a y s e 峋r 也ep o l 盯p 撇s s i sl e s st l l a r if o rm es e t p m c c s s 2 l 极性枫理| 帮电子转移祝理关系及中间枫理钧存在 从上面的叙述可看出极性机理( p o l 神和电子转移机理( s e t ) ，是有着共同的特征： 电子转移。s e t 历程包括了先行的电子转移形成d + 和a 一自由基，然后d + a _ i 共 价键形成。而极性机理中电子转移和共价键的形成同步进行。两者的区别只在于 电子转移和共价键形成步骤协同程度的不同，如图1 6 所示。从此图中，可看出 这两种机理之间可能存在者中间机理( 用虚线表示) ，在这个反应历程中，电子 转移和键的形成是同步进行的，当在反应的初期，电子转移比键的形成进行的快。 反应的过渡态具有相当程度的电子转移和共价键发生松动的特征。 ，向d u c t c d l 。j f i 譬u n1 6p o t e n t i a l 雠哪叫ed i a 留蚺i l i u 涨汛g t h e 他晰o n s h - pb 咖蛳p o i a r 蚰d s e t r e a c t i o n p a m w a y s ( 砌i c a t e d b y b o l d 蛳w s ) t h e 嘶眦s p r c s e n t c l 岫l 栅喀f c r a ) 肌d b o n df 0 咖鲥蚰( b e t w nd 锄d xmp o s s i b i “t yo f 蚰i n 劬m c d i a 幢m h a i l i 锄i s i n d i c 咖db y t h e b t o k l i n e ： 关于中间机理及协同的电子转移一键形成的观点，在一些别的文献中也得到 了体现。5 5 f i 暑u 他1 ，p h o f 髓料r e j v k 砘r 州i 吼g n l f o r 嘲湘o f a d i 啊l p e r o 蚰d e ( r m 0 r ) w i l h 柚e i 仃c m d 叫( d ) c w a l l i n g 在文献”中，对于活化自由能比较大的吸热反应( 慢的有机反应) 中的电子转移过程进行了描述。他认为可以考虑在过渡态中只有部分的电荷被转 移，形成一定的吸引力或极化作用，就如同在电荷转移复合物中的作用力一样， 这些作用使能垒降低。考虑图1 7 所示的过氧化物在电子给体的存在下的裂解过 程。反应应该沿着曲线l 和2 交叉部分的比较低的虚线进行。在过渡态中，电荷的 转移即不是决速步骤也没有进行完全，它的范围沿着反应坐标一直延伸到产物 a 。他还提到探测过渡态的结构是很困难的，因为“完全”的电荷转移和“部分” 的电荷转移都会得到相似的对反应的预计。观察空间效应对于速率的影响应该可 以对反应过渡态中键形成的程度给出一些暗示。 、 d b e t l e l l 等”研究了9 烷基芴正离子( a r f l + ) 与多甲基芳烃化合物，在三 氟乙酸中还原得到气r f l h 的反应机理，热力学研究表明简单的一步负氢转移是不 可取的，a r f l + + a r c h 3 一气r f l h + a f l c h 2 + 。这些反应的二级反应动力 学常数随着的a r 和舡1 不同而改变，动力学同位素效应为2 8 4 2 。分析发现反应 速率的改变与m l c h 3 和芴正离子形成电荷转移复合物的能力有很好的相关性。 m