生物无机中配位化学原理

生物无机化学1Contents1生物无机化学中的配位化学原理3生物无机化学中的碱金属与碱土金属4金属蛋白与金属酶5医药中的无机元素6生命现象中的超分子化学重要的生物配体及其金属配合物2重要的生物配体及其金属配合物参考文献：郭子建，孙为银编著，《生物无机化学》，北京：科学出版社。

计亮年，莫庭焕等编著，《生物无机化学导论》，广州：中山大学出版社。

郭德威编著，《生物无机化学概要》，天津：天津科学技术出版社。

杨频，高飞编著，《生物无机化学原理》，北京：科学出版社。

JournalofInorganicBiochemistry

/science/journal/000630613考核方法课程论文与平时成绩综合评分（期末论文80%+平时20%）。

论文：生物体系内金属离子的功能无机药物的热点与研究进展含铁蛋白/酶的结构与功能

含锌、铜、钼蛋白/酶的结构与功能无机纳米材料的生物应用研究4绪论生物无机化学在分子水平上研究生物体内与无机元素有关的各种相互作用，将无机化学的原理和方法用于研究生物体系中无机元素，尤其是金属元素及其化合物的结构及生理功能。

生物无机化学家依靠生物化学理论和新技术，结合物理和无机化学的理论和方法，侧重从生物学的角度研究无机元素及化合物对生物体的生理和病理作用。通过创造在不同程度再现生命现象的模拟体系，加深对生命过程的认识。5绪论顺式-二氯二氨合铂（顺铂）cis-Pt(II)Cl2(NH3)2反铂trans-Pt(II)Cl2(NH3)2生物无机化学在短短的历程中，顺铂作为无机抗癌药物在世界范围内的广泛使用，是无机物在医药中应用的典范。6绪论配合物的几何异构体不仅可具有不同的理化性质，且其生理活性及药理性质也常不相同例如，顺式-PtCl2(NH3)2

（cis-DDP） 呈橙黄色，因其结构不对称，偶极矩大于零，是极性分子，较易溶解于水； 临床上简称为顺铂(cis-platinum)，它能将癌细胞中两DNA单链上的鸟嘌呤交联地结合，抑制DNA的复制，且因此而将肿瘤抑制因子p53激活，阻止癌细胞的分裂和再生，对癌症有较好的疗效。反式-PtCl2(NH3)2（

trans-DDP） 呈淡黄色，其结构对称，是非极性分子，难溶解于水；不能与DNA结合。7绪论血红蛋白和血红素血红蛋白（Hb）是由含亚铁的血红素和1个分子珠蛋白构成。亚铁血红素分子由Fe2+同卟啉大环配体上四个N原子形成四个配位键;再与珠蛋白中一个组氨酸残基的咪唑N原子形成第五个配位键;Fe2+的第6个配位位置由水分子占据，它能被O2置换形成氧合血红蛋白(Hb·O2)。8主要是具有生物功能的金属、生物配体及其组成的生物分子(含金属的生物分子)。含金属的生物分子蛋白质、酶和肽核酸与金属的配合物低分子量金属配合物绪论生物无机化学的研究对象9绪论蛋白质/酶及肽酶水解酶羧肽酶(Zn)氨肽酶(Mg,Zn)磷酸脂酶(Mg,Zn,Cu)氧还酶氧化酶(Fe,Cu,Mo)羟化酶(Fe,Cu)超氧化物歧化酶(Cu,Zn,Mn)异构酶及合成酶的辅酶维生素B12辅酶(Co)调节蛋白和调节肽钙调蛋白(Ca)人血浆促生长因子(Cu)锌指蛋白(Zn)运送及储存蛋白电子载体细胞色素(Fe)铁硫蛋白(Fe)蓝铜蛋白(Cu)金属储存及运送蛋白和结构蛋白铁蛋白(Fe)铁传递蛋白(Fe)金属硫蛋白(Cu,Zn,Hg,Cd)胶原蛋白(Ca)载氧蛋白血红蛋白(Fe)肌红蛋白(Fe)血蓝蛋白(Cu)血钒蛋白(V)10绪论核酸及类似物核苷酸及环核苷酸ATP-金属离子(物质传递)核酸RNA-金属离子(传递遗传信息)低分子量配合物光敏氧化物质叶绿素(Mg)无机硬组织骨及软骨(Ca、P、Si)离子载体缬氨霉素[xié]11生物无机化学生物活性物质的结构-性质-功能关系活性物质在生物环境中行为活性物质及其修饰物的结构测定模型化合物的结构测定活性物质在溶液中状态热力学性质动力学性质与金属离子结合或脱离时结构的变化(动态研究)结构-性质-活性关系(SPAR)及其机理的阐明绪论12绪论生物无机化学的研究方法：以元素基本化学性质为基础，最重要的方法是模拟方法。

用大小相近、配位结构类型相似的金属离子取代生物体系中的金属离子。

这些取代离子称为生物探针。如Co2+(Zn2+)、Mn2+(Zn2+)

用一些简单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。

如：卟啉铁配合物(血红蛋白)、铜配合物(蓝铜蛋白)

用化学方法再现生物体系的某种功能如：人造载氧血液在运用模拟方法时,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。13血红蛋白输送O2

的化学方程式如下：Hem+O2HemO2有机物在活细胞内氧化分解，产生二氧化碳和水，血红蛋白将组织产生的CO2通过以下化学反应式运送到肺部呼出。Hem(NH2)+CO2

Hem(NHCOOH)

血红蛋白把吸入的氧从肺部运送到组织，再把组织产生的CO2从组织运送到肺部，这是在生物界争论40年之后，终于在化学家合作之下，通过血红蛋白活性中心的模拟试验，圆满解决。(氨基甲酰血红蛋白)绪论14我国生物无机化学学科研究的未来发展方向细胞无机化学主要研究无机物种与细胞的相互作用及其导致细胞功能改变、细胞周期改变和细胞增殖、分化和凋亡的机理。金属酶和金属蛋白结构、功能及作用机制。

环境中的无机物与生物相互作用的化学机理。

无机小分子与生物大分子相互作用和结构、功能变化研究。

无机物在重大疾病防治和作用机理方面的研究。

创造新的研究方法实验方法、理论分析、计算机模拟、设计和预测;生物无机光谱学与生物无机量子化学等绪论15上世纪70年代，配位化学已渗透到生命科学体系。研究对象：金属酶、金属辅酶、血红素及微量金属在人体中的作用及体内金属离子的平衡等。用配位化学的方法和原理研究生物分子与金属离子的作用—生物无机化学的主要内容。上世纪80年代，配位化学向生命科学体系的更高层次发展。

研究生物无机化学实质是研究有生命意义的配位化学。生物无机化学中的配位化学原理16一、配合物的基本概念

MLn

金属M,电子对的受体生物无机化学中的配位化学原理

NH32+H3NCuNH3SO4NH32中心离子配位体 (N是配位原子)

内界外界17单齿配位螯合作用大环作用穴合作用生物无机化学中的配位化学原理18生物无机化学中的配位化学原理19生物无机化学中的配位化学原理二、晶体场理论的基本要点配合物中的过渡金属离子与配位体之间的化学键都是静电引力。金属离子带正电荷，配体带负电荷。在配位体场的作用下5个简并的d轨道（dx2-y2,dz2,dxy,dxz,dyz）发生能级分裂，分裂方式决定于金属离子周围配位体的排列方式，即配位体场的对称性。如为八面体场，则中心离子的d轨道能级分裂为eg(dx2-y2,dz2)和t2g(dxy,dxz,dyz)两组。dx2-y2和dz2轨道的电子云和配体迎头相撞能量上升，故高于夹在坐标轴之间的dxy,dxz和dyz能级。2021分裂方式决定于金属离子周围配体间排列方式不同对称性场中的轨道能级分裂图生物无机化学中的配位化学原理22影响晶体场分裂能（∆）因素

Ⅰ.中心原子电荷

Ⅱ.中心原子半径

Ⅲ.配体的本性电荷增加,∆增加原子半径增加,∆增加生物无机化学中的配位化学原理23

晶体场稳定化能（CrystalFieldStabilityEnergy,CFSE）在配位体的作用下金属离子d轨道发生分裂，电子优先填充在较低能量的轨道上，电子填入分裂轨道比处于未分裂轨道的总能量要低，这种能量下降称为晶体场稳定化能。-4Dq6Dq CFSE=0[xE(t2g)+y

E(eg)] （1-1） 生物无机化学中的配位化学原理egt2gx、y为t2g和eg轨道中的电子数，E(t2g)和E(eg)分别为t2g和eg轨道的能量。24a.当晶体场分裂能∆0大时,导致电子配对,低自旋,称为强场;反之则导致单电子存在,高自旋，为弱场。b.影响自旋态的因素配位体场强、温度、中心原子半径及电荷等dz2

dx2-y2dxy

dxz

dyzdz2

dx2-y2dxy

dxz

dyzΔO大时为强场CFSE=05(0.4ΔO)=2.0ΔO

ΔO小时为弱场CFSE=0[3(0.4ΔO)+2(0.6ΔO)]=0生物无机化学中的配位化学原理egt2gt2geg25三、晶体场理论的应用光谱性质:热力学性质:配合物热力学稳定性、金属离子半径、金属离子氧化还原性、晶格能、离子水合能动力学性质:配合物反应活性磁性:电子光谱ESR谱生物无机化学中的配位化学原理26(一)热力学稳定性实验事实:第一过渡系金属离子(Ⅱ)八面体弱场配合物的稳定性次序为:埃文—威廉斯(Irving-Williams)规律d5d6d7d8d9d10CFSE048260生物无机化学中的配位化学原理如，某些金属碳酸酐酶的稳定性M2+Mn2+Co2+Ni2+Cu2+Zn2+logK

3.87.29.511.610.5Mn2+<Fe2+<Co2+<Ni2+<Cu2+>Zn2+27(二)氧化还原性有些金属离子具有两个或两个以上稳定氧化态,在生物体中会发生氧化还原作用(Fe3+/Fe2+、Cu2+/Cu+)。配合物的氧化还原性随配体不同而异。[Co(H2O)6]3+/[Co(H2O)6]2+

EO=+1.84(V)[Co(NH3)6]3+/[Co(NH3)6]2+

EO=+0.10(V)[Co(en)3]3+/[Co(en)3]2+

EO=0.26(V)[Co(CN)6]3/[Co(CN)6]4

EO=0.83(V)生物无机化学中的配位化学原理28配合物电子光谱是分子内电子发生能级跃迁所产生的，通常在200700nm范围,又称为紫外可见光谱。按照产生机理不同，可分为三类：a.配位场光谱

b.电荷迁移光谱c.配体内电子迁移光谱

1.配位场光谱(dd跃迁)在正八面体中:egt2goE=hv=o

(三)过渡金属配合物的电子光谱生物无机化学中的配位化学原理29

吸收一般在400~700nm范围内,故大多数过渡金属配合物有颜色。

配体场强增加，吸收频率增加生物无机化学中的配位化学原理30抗坏血酸氧化酶和在有底物存在下的吸收光谱生物无机化学中的配位化学原理苦氨酸偶氮变色酸与Co（III）显色31[Co(H2O)6]2+和[CoCl4]2的电子吸收光谱生物无机化学中的配位化学原理32生物无机化学中的配位化学原理33(三)过渡金属配合物的磁性磁性是配合物的一个重要性质，利用配合物的有效磁距可判断配合物中心离子中未成对电子数、键型及立体化学构型等。下面简单介绍一下配合物的有效磁距及其应用。1.有效磁距(ueff)(1)实验测定(摩尔磁化率,实验测定)

µ有效单位为玻尔磁子(BM)生物无机化学中的配位化学原理342.磁性在配合物研究中的应用

确定中心离子的价态例:铜常见的氧化态有+1和+2,如何确定分析:Cu+,d10,=0Cu2+,d9,=1.73

判断配体是强场还是弱场例:Mn2+电子构型为d5低自旋时:cacld=1.73B.M.高自旋时:

cacld=5.92B.M.[Mn(bipy)3]Br2:eff=5.92B.M.[Mn(CN)6]4-:eff=1.73B.M.弱场高自旋强场低自旋生物无机化学中的配位化学原理35

确定配合物的立体结构因此,可以由物质的磁性初步推测配合物的立体结构。配合物的立体结构未成对电子数物质磁性例:Ni2+

d8分析:a.平面正方形=0未成对电子数为零b.八面体高(低)自旋=2.83c.四面体高自旋3.0如:测得的[NiCl4]2的=4.1B.M.，该配合物可能的结构？生物无机化学中的配位化学原理36生物无机化学中的配位化学原理Fe3+：F、H2O

t2g3eg2

高自旋=5.9B.MFe3+：CN

t2g5eg0

低自旋=1.7B.MFe2+：CO－血红蛋白t2g6eg0

低自旋=0B.MFe2+：脱氧血红蛋白t2g4eg2

高自旋=4.9B.M37生物无机化学中的配位化学原理(四)配体取代反应动力学在生物体内，金属离子与水可形成水合离子。因此，在生物体中的配合物形成反应，实际上是一些生物配体与金属周围水分子的交换反应。M(H2O)n+nL=MLn+nH2O对于过渡金属离子，其配合物的取代反应速率差别是很大的。如Cr3+(3d3)和Co3+(低自旋3d6)配合物的取代反应速率很慢，这种配合物成为惰性配合物;而Cu2+(3d9)和Cr2+(3d4)取代反应速率很快,把它们称为活性配合物。其原因为Cr3+和Co3+(低自旋)配位场活化能大,故取代反应慢。38FredBasolo提出配位场效应来解释它们的取代速率，认为八面体配合物的取代反应过程要形成四方锥或五角双锥的过渡态配合物，过渡态配合物的CFSE与八面体配合物的CFSE之差称为配位场活化能。生物无机化学中的配位化学原理计算表明Cr3+和Co3+的配位场活化能大，它们的取代反应是惰性的。39生物无机化学中的配位化学原理四、混配配合物的形成及其生物意义在生物体系中，由于同时存在多种配体，除了单一型的配合物外，还可能形成混配配合物，这是两种或两种以上不同配体与金属配位的配合物。生物体内存在除蛋白质、酶、核酸这种大分子之外，还存在着小分子如组氨酸、色氨酸等各种氨基酸，易与金属形成混配配合物，更主要的是蛋白质等大分子本身就含有许多可以与金属离子配位的基团，可和金属配位形成混配配合物。40生物无机化学中的配位化学原理（一）混配配合物的形成及其影响因素形成混配配合物的反应类型着重考虑M与A和B形成MAB型混配配合物，它可以看作是酶EM底物S配合物的一种模型。（1）歧化反应MA2+MB2→2MAB（2）取代反应MA2+B→MAB+AMB2+A→MAB+B（3）加合反应MA+B→MABMB+A→MAB（4）直接反应M+A+B→MAB41生物无机化学中的配位化学原理形成混配配合物的若干因素混配配合物的形成有内因和外因两方面。外因方面如pH、配位体与金属浓度、离子强度和溶剂的极性等。内因方面主要有：（1）统计效应从统计观点看，易形成MAB型配合物，即形成MAB比MA2和MB2多，且稳定。（2）立体效应在形成混配配合物时，母体配合物的几何构型十分重要，一般的规律是:

相同构型的配合物之间的相互作用有利于形成混配配合物;42生物无机化学中的配位化学原理配体取代基的立体位阻的大小也很重要。如二乙二胺合铜（Ⅱ）与二N，N，－二乙基乙二胺（deen）合铜（Ⅱ）之间的反应：Cu(en)22+

＋Cu(deen)22+→2Cu(en)(deen)2+形成混配配合物Cu(en)(deen)2+后，主体位阻Cu(deen)22+有所降低;形成的混配配合物中，五元、六元环最稳定，特别是五元环。43生物无机化学中的配位化学原理（3）静电效应混配配合物比较容易由单一型配合物形成。若形成混配配合物后两配体侧链能成键（离子键、氢键等），也对形成混配配合物有利。（4）电子反馈M与L形成σ键后,若能再形成M→L或L→M的π键配合物更稳定。M与en形成σ键，而M与2，2bpy除形成σ键外，还可形成M→L的π反馈键，则Mbpy配合物稳定。44生物无机化学中的配位化学原理（5）软硬酸碱硬酸：体积小，正电荷高，不易极化；

软酸：体积大，正电荷低，易极化；硬碱：电负性高，难于氧化，难于极化；

软碱：电负性低，易于氧化，易于极化。硬酸与硬碱易配位，软酸与软碱易配位。NH3和F均为硬碱，Co3+为硬酸易形成[Co(NH3)5F]2+配合物；I为软碱，故[Co(NH3)5I]2+不如前者稳定。而[Co(CN)5I]3比[