（有机化学专业论文）二茂铁负载nadh模型化合物的设计合成及在机理研究中的应用.pdf

中文摘要 n a d ( p ) h 辅酶是最重要的氧化还原辅酶之一，其在生物体内主要起着转移 负氢离子( h ) 和电子( e - ) 的作用。由于该辅酶在生物体内的新陈代谢和氧化还原反 应中起着关键性的调节作用，因此近年来在模拟辅酶研究中十分活跃。目前， n a d ( p ) h 辅酶的化学模拟研究最具争议之焦点是转移h 的机理，即反应究竟是 经历h 一步转移还是经历由电子转移引发的多步转移机制( 目目e h + - e 或e h 转 移) 。本文突破了前人研究n a d h 氧化机理的传统方法，从研究其活性中心的关 键部位出发，设计并合成了一系列新型的n a d h 模型，二茂铁负载的n a d h 模 型化合物，研究了它们和i q + ，x n + ，t + ，a c r + ，f e ( c n ) 6 3 和对苯醌的反应并和相应的 没有二茂铁的n a d h 模型化合物的还原反应作了比较和讨论。由于二茂铁具有 给电子性质，较低的氧化还原电位和良好的氧化还原可逆性，这种新型的化合物 将在和底物作用时因作用机理的不同而表现出不同的特性。本文从模型物3 位羰 基的电子效应和模型的反应活性乃至反应机理的关系的角度出发，详细地研究了 二茂铁通过3 位羰基的电子效应对模型的热力学和动力学的反应性的影响，其刺 负氢机理和电子机理的作用大小的不同，可以用做区分负氢一步机理和电子机理 的有效判据。 本文还进一步肯定了电荷转移络合物的存在和其对反应机理的巨大影响，对 n a d ( p ) h 的还原机理提供了新的思路，从过渡态中二元或三元络合物的构象分 析，对从分子水平上解决n a d ( p ) h 辅酶生命体内作用的化学实质性问题提供了 新的证据。本文还利用滴定量热和电化学测试等手段，建立热力学循环，得出了 它们及其自由基正离子的c 4 一h 键的异裂和均裂键能，对其负氢转移机理作了热 力学的依据。 关键词：n a d ( h ) 辅酶，二茂铁，电荷转移络合物，h 一步机理，电子转移机 理。 a b s t r a c t a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr e d o xc o e n z o m e s ，n a d ( p ) hp l a y sav i t a lr o l ei n l i v i n gb o d i e sb yt r a n s f e r r i n gah y d r i d ei o no ra ne l e c t r o nt ot h es u r r o u n d i n gs u b s t r a t e b e c a u s eo fi t s s i g n i f i c a n ta c t i o n si n b i o r e d u c t i o na n dm e t a b o l i s m p r o c e s s ，t h e c h e m i c a lm o d i f i c a t i o no fn a d ( p ) hc o e n z y m eh a sa r r a c t e di n c r e a s i n gi n t e r e s t si n r e c e n ty e a r s i nt h i st h e s i s ，s t u d i e so nt h ec h e m i c a lm o d i f i c a t i o no fn a d ( p ) hm a i n l y f o c u so nt h em e c h a n i s t i cd e t a i l so ft h ea p p a r e n th y d r i d e t r a n s f e r , i e ，o n e s t e p h y d r i d ea n dm u l t i s t e p t h i sp a p e rb r e a kt h r o u g ht h et r a d i t i o n a lm e t h o di ns t u d y i n gt h e d e t a i l e dm e c h a n i s mo fo x i d a t i o no f n a d ( p ) hm o d e lc o m p o u n d ，d e s i g na n ds y n t h e s i s as e r i e so fn e w s t y l en a d ( p ) hm o d e lc o m p o u n d - - f e r r o e e n e b e a r i n gn a d ( p ) h m o d e lc o m p o u n d s t u d i e so nt h ed y n a m i c so ft h er e a c t i o nb e t w e e nt h e ma n di q + ， x n + ，t + ，a c r + ，f e ( c n ) 6 3 一a n dp - b e n z o q u i n o n ew e r ec a r r i e do u ta n dt h em e c h a n i s m w a sd i s c u s s e dc o m p a r e dw i t ht h a to fb n a h ( t h er e l e v a n tm o d e lc o m p o u n de x c l u s i v e f e r r o c e n e ) d u e t ot h e e l e c t r o n d o n a t i n gp r o p e r t y , t h er e l a t i v e l o w e ro x i d a t i o n p o t e n t i a la n dt h er e d o xr e s e r v e b i l i t y , i ts h o w sd i f f e r e n ti n f l u e n c et o w a r dd i f f e r e n t m e c h a n i s mw h e nt r e a t e dw i t hs u b s t r a t e t h ed y n a m i cr e s u l t ss h o w e dt h a tt h et r a n s p a r t i a l l yn e g a t i v e l yc h a r g e d3 - c a r b o n y lo x y g e no ft h em o d e lc o m p o u n d sc o u l dc a u s e t y p e so fe l e c t r o s t a t i cs t a b i l i z a t i o ni n t e r a c t i o n si nt h er e a c t i o nt r a n s i t i o ns t a t ea n d f e r r o c e n ei m p o s ei n f l u e n c eo nt h et h e r m o d y n a m i ca n dk i n e t i cp r o p e r t yo f n a d ( p ) h m o d e lc o m p o u n dv i at h ee l e c t r o ne f f e c to f3 - c a r b o n y lo x y g e n b a s eo nt h i s ，w e c o n c l u d e dt h a tt h ed i f f e r e n c eo fr e l a t i v er e a c t i v i t yb e t w e e nf e r r o c e n e b e a r i n gb n a h c o m p o u n da n df r e eb n a ht o w a r d sd i f f e r e n ts u b s t r a t ec o u l db es e r v e da sa m e c h a n i s mp r o b ef o r d i f f e r e n t i a t i n gt h eh y d r i d eo n e s t e pt r a n s f e ra n de l e c t r o n t r a n s f e rm e c h a n i s m t h i st h e s i sa l s oc o n f i r m e dt h ee x i s t e n c eo fc h a r g et r a n s f e rc o m p l e xu l t e r i o r l y a n di t se n o r m o u si n f l u e n c eo nr e a c t i o nm e c h a n i s ma n d b r o u g h tan e wm i n do f o x i d a t i o no f n a d ( p ) h t h ea n a l y s i s o nm u l t i m e m b e rt r a n s i e n t s t r u c t u r a l c o n f o r m a t i o nc o u l dh e l pu st ou n d e rb e t t e rm a n yd e t a i l so ft h en a d ( p ) h c o e n z y m e m e d i a t e dr e d u c t i o n s a l s ow eu s et h e m e t h o do ft i t r a t i o n c a l o r i m e t r y a n d e l e c t r o c h e m i s t r yt og a i nt h eh e t e r o l y t i ca n dh e m o l y t i ce n e r g i e so ft h ec a hb o n d sa n d t h e i rr a d i c a lc a t i o n s i ti sw o r t hm e n t i o n i n gt h a tm o l e c u l a ri n t e r a c t i o n so b s e r v e di n t h e s eo r g a n i cr e a c t i o n sw e r ef o u n dt ob ec l e a r l yr e l a t e dt ot h o s eo b s e r v e di nb i o l o g i c a l r e a c t i o n s k e y w o r d s ：n a d ( p ) hm o d e lc o m p o u n d ，f e r r o c e n e ，c h a r g et r a n s f e rc o m p l e x ，o n e s t e p h y d r i d et r a n s f e r ，e l e c t r o nt r a n s f e r x 1 0 0 6 1 4 8 南开大掌学位论文电子版授权使用协议 ( 请将此协议书装订于论文首页) 做：爽橼拟目d 一帮砷懒沿汁言融铷彳趼f 勰稚即系本人在 南开大学工作和学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系本作品的唯一作者( 第一作者) ，即著作权人。现本人同意将本作品收 录于“南开大学博硕士学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文电子 版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。 本人完全了解g 直珏太堂图盘焦羞王握盔! 焦旦堂僮迨塞曲管堡赴鎏：同慝 南开大学图书馆在下述范围内免费使用本人作品的电子版： 本作品呈交当年，在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及论文全文部分 浏览服务( 论文前1 6 页) 。公开级学位论文全文电子版于提交1 年后，在校园网上允 许读者浏览并下载全文。 注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系所名称：，( 七学像 作者签名：办1 江红 学号： ozo4 ，i # 日期：n 。f 年岁月? o 日 南开大学硕士学位论文 第一章前言 酶化学在化学和生物学领域之间起着重要的桥梁作用。生物过程中的化学反 应所具有的反应条件温和和很强的立体专一性皆归因于生物催化剂一酶。然而从 有机化学的角度，天然酶又存在着一些明显的不足。比如，其对外界变化的适应 性小，易于变性，而且只在温和条件下才表现出催化活性等等。近年来，人们投 入很大精力致力于在更简单的化学体系中模拟酶的催化反应，并寻找催化作用的 共同特点，以便应用类酶催化于有机合成。目前，酶模型的研究主要有两个目标： 其一，开发多种用途的类酶催化剂；其二，在较简单的化学体系中阐明反应机理， 从而推测生物酶催化的可能的微观机制。 还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸( r e d u c e d n i c o t i a m i d ea d e m i n ed i n u c l e o t i d e ， n a d h ) 及其2 - 磷酸盐( r e d u c e dn i c o t i a m i d ea d e m i n e d i n u c l e o t i d ep h o s p h a t e ， n a d p h ) ( 1 ) 是代谢过程中最常见的辅酶之一。n a d ( p ) h 及其氧化态( n a d ( p ) + ) 存 在于诸多酶催化的氧化还原反应中。比如，生命体内醇的氧化、乳酸的合成、呼 吸链中的氧化还原以及一系列的电子转移反应等均与该辅酶密切相关。 n a d ( p ) h 辅酶在生物体内的新陈代谢和氧化还原过程中有着不可替代的重要位 置， f i g u r e1 - 1 ： 比。o 吨- o _ o r = h ha n d h a d p h 1 1 ，h 1 c o n h ， 是近年来模拟酶化学研究最活跃的领域之一。早在2 0 世纪3 0 年代初期科学家们 就发现，氢转移酶的辅酶是一种烟酰胺衍生物，但是直到2 0 世纪5 0 年代，人们 才准确无误地确定这种烟酰胺辅酶( n a d ( p ) h ) 的氧化还原反应活性中心的结 构是1 , 4 二氢烟酰胺，而其取代基一腺苷二磷酸核糖基( a d p r ，a d e n o s i n e d i p h o s p h a t er i b o s y l ) 则用于与脱辅基酶结合时的分子识别。在n a d ( p ) h 脱氢催 南开大学硕士学位论文 化的还原反应中，其活性部位1 ，4 一二氢吡啶环4 位碳上的氢表观上以h 。的形式 转移至底物( s c h e m el 一1 ，s 为底物) ，而其氧化型n a d ( p ) + 则从另一个底物接 受一个负氢离子，从而构成生命体内n a d ( p ) h n a d ( p ) + 氧化还原的循环体系。 s c h e m e1 1 n h 2 + s n h 2 + s h n a d ( p ) hn a d ( p ) + 从有机化学的观点，n a d ( p ) h 的辅酶的化学模拟研究之所以受到高度重 视，其原因在于：i n a d ( p ) h 的化学活性部位1 ，4 二氢吡啶环具有相对简单 的结构，故易于进行化学修饰；i i 模型的建立和改进可以揭示生命体内氧化还 原作用的化学实质，从而有利于人们从化学的角度对生命过程进行调控；i i i 辅 酶的化学模拟可为温和条件下的有机合成提供更为有效的催化剂。早在1 9 5 5 年， w e s t h e i m e r l 及其同事利用简单的二氢吡啶衍生物，如l 一苄基一l ，4 一二氢烟酰胺 ( b n a h ，2 ) 还原孔雀绿和甲橙兰为相应的无色还原型物质，尽管这些底物同生 命体内的情况大相径庭，但他们将此项研究同酶促反应相比较，由此揭开了 n a d ( p ) h 化学模拟研究的序幕。此后，人们发现b n a h 也能还原活性羰基底物， 如六氯丙酮2 和一系列硫羰基底物3 。因此b n a h 也就被认为是n a d ( p ) h 辅酶 的第一个模型。另外，h a n t z s c h 酯( h e h ，3 ) 和n 甲基一9 ，1 0 二氢二苯并吡啶( a c r h 2 4 ) 也常用于模型的研究( f i g u r e1 2 ) 。用上述这些模型化合物还原c = o 、c = s 、 c = n 、c = c 等不饱和底物和其它有机或无机氧化剂的反应已有了较系统的研究报 道4 。 f i g u r e1 2 o n h 2 r 2 3 4 虽然关于h 。转移激励的研究甚至可以追溯到上个世纪五、六十年代，但对 南开大学硕士学位论文 其机制的认识一直存有争议。n a d ( p ) h 转移一个负氢离子给底物变成氧化型烟 酰胺辅酶( n a d ( p ) + ) 的途径可以分成两大类( s c h e m e1 - 1 1 ) ：一类是负氢离子 一步协同转移过程( 即两个电子和一个质子同步转移) ；另一类是由电子或氢原 子转移引发的多步转移过程( 即两个电子和一个质子分步转移) 。大量研究试幽 从中挑选出自然界的真正选择，却始终未能如愿。早在2 0 世纪5 0 年代，科学家 们根据烟酰胺辅酶的氧化电位比较高( 1 0 伏左右) 且在生命体内对底物的还原具 有立体专一性等特性，普遍认为这种表观上的负氢离子转移是直接一步完成的。 后来大量的化学模拟实验证据支持了这一观点。但是到了2 0 世纪7 0 年代，两位 美国化学家根据他们的研究提出负氢离子转移先由电子转移引发的观点5 。随后， 大量支持这种观点的实验证据也接踵而来。到目前为止，在化学家们对n a d ( p ) h 负氢转移历程进行大量研究的同时，对于一步还是多步机理的争论也伴随至今。 近年来有人提出所谓“杂化型”h 转移机理。，但该提法并未使这场旷日持久的 争论更为清晰，相反却增加了其错综复杂的程度。因为本文的主要目标之一是澄 清反应机理，因此下面我们拟对前人关于该辅酶还原的h 一转移和立体专一性方 面的机理研究作一概括。 1 , 1n a d ( v ) h 负氢转移机理的模拟研究 物理有机化学家研究n a d ( p ) h 辅酶转移h 的机理是通过产物的分析并借助 一些试验手段，如同位素技术，热力学，动力学，电化学，光诱导及光谱鉴定中 间体等方法进行。 1 1 1 同位索跟踪法研究h - 转移机理 这种方法是被最先应用于n a d ( p ) h 模型还原机理研究的方法之一。如 b n a h 的4 一位氢用氘取代后得到b n a h d 2 ，可用来研究氘是否直接转移至底物； 也有用含氘的反应介质来研究转移氢是否同溶剂中的氘发生交换。前面提到的孔 雀绿等底物还原机理就是用这种方法推断的。w e s t h e i m e r 等人发现转移的氢同溶 剂中的氘有交换。但当0 h n o 等利用e s r 和n m r 光谱手段重新考察b n a h 与 二芳基硫酮( 5 ) 的反应时，发现氚代溶剂中有部分氘代二硫化物产生，而且氘 位于产物的次甲基碳上，证明反应过程中有负离子基的存在，并且产物中氘的含 量随负离子基稳定性的增加或溶剂极性的增大而增加。可见，对于同一反应，他 们得出了截然相反的结论7 ( s c h e m e1 - 1 1 ) 。 南开大学硕士学位论文 s c h e m e1 - 1 1 b n a h + p h 2 c = s 与b n a h + + p h 2 e s 。 旦：+ b n a p h 2 c h s 竺里盟竺! ! ：! ( p h 2 c h s ) 2 + o t h e r s l ! - b n ” o h n o 等还研究了氘代甲醇( c d 3 0 d ) 中b n a h 将重氮盐( 6 ) 在避光下还 原脱氮的反应，发现部分产物被单氘代，而且氘代程度与所形成的芳基自由基的 稳定性有关，自由基越稳定，产物中氘的含量越高8 。同时，自由基抑制剂影响 反应产率。那么，非氘代产物的形成应该是溶剂笼内b n a h 正离子基将氢转移 给底物所致。由此，o h n o 提出，h 一步转移机理也可能是溶剂笼内电子引发的 多步转移的表观结果，当底物产生的自由基负离子足够稳定时，其逸出溶剂笼从 溶剂中得到氢的可能性增大9 。 5 昌捌= p 拙0 6 p a n d i t1 0 在研究n a d ( p ) h 模型h e h 还原不饱和酮酸酯时，发现其c = c 双键 先被还原，随后酮羰基也被还原。当用4 ，位氘代的h e h 还原时，得到v 一位被氘 代的产物( s c h e m e1 - 1 2 ) ，他由此断定该反应经历经历h 一步转移机制。如果发 生的不是h 一一步转移而是电子转移，随后的氘质子转移将可能导致产物b 碳上含 氘，因此可基本排除电子转移机理( s c h e m e1 - 1 3 ) s c h e m e1 - 1 - 2 o o p b c h 气：h 一凸一c o o p h c h 2 c h 2 - 苎一c o o e r 型- p h c h 2 c h 2 c h ( o h ) c o o e t o p h c h d c h 2 - 6 一c o o e r 坐生- p h c h d c h 2 c d ( o h ) c o o e i m硝 啪 了 h 畸爿”v 三穗 钆呱咂：量|=菖嚣鬻警 埝 南开大学硕士学位论文 雅：，苹oo 屺球d ，率t j ，。c h ：c h 磊：念i i 割如磊了：菰l 亳；三i ：一c h 肛娶。融 1 1 2 产物分析法研究h 。转移机理 大多数情况下，用同位素跟踪法研究h 转移机理只能证明表观上发生了h 一步转移，并不能完全排除经电子转移和随后的快速质子、电子转移的多步历程。 于是，人们设计出了各种特征底物作为机理探针，通过产物分析达到区别反应机 理的目的。 n a d ( p ) h 或b n a h 还原环丙烷取代的d 一酮酸得到环丙烷取代的d 一羟基酸 ( s c h e m e1 - l 一4 ) 。而如果反应中发生了电子转移，由于三元环与反应中心相连， 所形成的自由基中间体将导致开环产物。同样，p a n d i t “等用h e h 还原带有三元 环的亚胺时也没有得到开环产物( s c h e m e1 i _ 5 ) 。对照实验表明，用负氢离子给 体n a b h 4 或p h 3 s n h 还原无开环产物，但当p h 3 s n h 在自由基引发剂( a i b n ) 存 在下与亚胺作用时却得到开环产物。基于同样的思路，以后的许多反应也被认为 是h 。一步转移。基于同样的思路，由于底物( 7 9 ) 被b n a h 还原时，都没有发 现开环，闭环和顺反异构的产物，因此这些反应均属h 一步机理。但是，也存 在另外一种可能，即单电子转移产生的底物自由基负离子很快被还原剂自由基正 离子的质子或氢原予捕获，以至在溶剂笼内底物没有结构重排的机会。因此，上 述结果可以成为负氢一步转移机理的强有力的支持，但不是决定性的证据。 骨o l o 、c 0 2 h 磐陟、c 0 2 h 一从 型骂o 八c o m o o 。 o h 陟8 ：h 螋陟b h 上陟6 、嘶h s c h e m e1 - 1 5 南开大学硕士学位论文 7 0 n a b h 4 一 r h e h m 乎+ o r 89 x u 等人幢研究了n a d ( p ) h 辅酶模型还原对硝基苯甲叉丙二酸乙酯的反应 ( s c h e m e1 - l 。6 ) ，根据在光照条件下的还原产物提出电子转移机理；但在热条件 下，产物的c = c 双键被还原，而且用氘代模型还原时氢的转移同溶剂中的氢无 关，由此得出热条件下的h 一步转移机制。 a n n e 用1 苄基4 一叔丁基1 ，4 二氢烟酰胺( ，一b u b n a h ) 作为分子探针来研 究和四氯苯醌的反应机理。他作了电极作用下的t - b u b n a h 衰变实验，并和b n a + 及t - b u b n a + 进行了比较，发现它电化学氧化的产物是脱叔丁基的b n a + ( f i g u r e 1 1 1 ) 。t - b u b n a h 和四氯苯醌的反应产物表明，该反应是电子转移和负氢转移 的竞争反应( s c h e m e1 1 - 6 ) 。 f i g u r e1 1 1s o l i dl i n e ：c y c l i cv o l t a m m e t r y o f t - b u b n a hf 1 1r a m ) i na c e t o n i t r f l ea n d0 1 mn b u 4 n b f 4i nt h ep r e s e n c eo f 2 0m m p y r i d i n c t h ep o t e n t i a li ss c a n n e df r o m0 1t o 0 9 va n db a c k t o0 1va to 1v sa n d t h e n 开o m + 0 1t o 一1 4 5 va t0 4 v d a s h e d l i n e ： c y c l i cv o l t a m m e t r yo f b n a ? ( o 4 5m m ) i nt h e s a m em e d i t m lf r o m + 0 1t o - 1 4 5va t0 4v s d o r e d1 i n e ：c y c l i cv o l t a m m e t r yo f t - b u b n a + f o 3 8m m ) i nt h es a m em e d i u mf r o m + o 1t o - 1 4 5va t04 v s 茂 一 南开大学硕士学位论文 l i u 等在研究热条件下a c r h 2 还原2 一溴1 苯乙烯基丙二腈时得到脱溴产物， 认为反应经历电子转移历程；但当用b n a h 还原时得到了与硼氢化钠还原结果 一致的脱溴闭环产物，说明机理为h 一一步转移( s c h e m e1 - 1 7 ) 。此外，其它含 溴化合物( 1 0 1 2 ) 被b n a h 的还原脱溴被认为是电子转移历程。 a d a m ”h a l 3 溴代1 ，2 - 二氧环丁烷化合物为机理探针物进行n a d ( p ) h 模型 还原时，得到了四种产物( s c h e m e1 - 1 8 ) 。其中前两种是h 一一步转移的产物， 后两种则是电子转移后形成负离子基，其环乙烷的c c 键被活化而断裂后形成 的产物。 s c h e m e1 - 1 6 c t 、c - a v n 跫， v 6 h ，p 1 1 铲 。尹 岫呲卜璋：秘啦 阳+ o 乜n ：奴盯。 南开大学硕士学位论文 s c h e m e1 1 - 7 刚弋弘h = c ( c o o e t ) 2警。：n 弋弘邺h c c o o e t ，z 2 0 n m ( e t o o c ，2 c = c h 二_ 一甲= n ：! ! 式h = c c c 。e t ，。廿甲州飞夕以晰c ( ) 2 t 0 b 三一b ，群一p n k b bp_葛洲粤孙只洲rh c n c n h3ccn ，d 、 n 0 2 l c h 3 h 3 c u b 1 0 s c h e m e1 - 1 - 9 o - - o h w 啪 m i x a c 4h ， 1 2 + 一半辨+ o o口 巩a + 矾广+喁广如 加拿大的t a n n e r l 6 ，1 7 等以c l 卤代苯乙酮为机理探针与b n a h 及其类似物反 应，利用反应产物对电子转移和h 一步历程加以区分。他们指出，h + 一步转移 应该得到羰基还原产物，而电子转移则得到脱卤产物苯乙酮，且少量的自由基抑 制剂间二硝基苯将对反应产生强烈的抑制作用( s c h e m e1 1 1 0 ) 。实验结果表明， 当x = b r 时，反应经历电子转移机制，可能是由于形成的负离子基易于脱去b r ； 当x = c 1 ，f 时，反应经历h 。步转移。但是对于后者，t a n n e r 的推论并没有完全 排除电子转移的可能性，因为a 氟、氯代底物的得电子能力比溴代底物的强， 南开大学硕士学位论文 生成的负离子基更稳定，当其脱x 。的速率低于其从b n a h ”中攫取质子或氨原子 的速率时，同样可以得到脱卤产物。f u k u z u m i l 8 在研究酸催化下a c r h 2 还原旺一 溴代苯乙酮时，由于底物的质子化提高了其得电子的能力( s c h e m e i 1 1 1 ) 也得 到电子转移历程的结论。 s c h e m e1 1 1 0 s c h e m e1 - 1 1 1 o ho h h 3 c 止泸叱” b r h 2 c c h 3 一s 妲名。： b r h 2 c 7 b h ， 邺几吼三邺人。； ，h 曰c c h 2 x1 接，童：i c h 2 x j l 一鼬。h ( o h ) 。h 2 x ，x 亩，x 一，& 。：一， s c h e m e1 - 1 1 2 a c r d 2 + p h c o c h 2 b r 堡。i n c r d 2 + p h c ( o h ) c h 2 s r 卫 【a c r dp h c ( d h ) c h 2 b r 】：! ! ! 二 【a c r d + p h c ( o h ) c h 2 b r + a c r d + 十p h c ( o h ) c h 2 b r 由此可以看出，连有机理探针的底物一般是基于其电子转移后所形成的负离 子基中间体在转移氢原子之前就发生结构变化( 如分子内重排，键的断裂等过程 欺 b 出b。 二 。 _ f b 南开大学硕士学位论文 s c h e m e1 - 1 1 2 ) ，来对产物进行分析，从而区分电子转移机理和负氢一步机理。 1 1 3 副产物分析法 化学反应中的副产物，虽然含量很少，但通常均包含着重要的反应机理信息。 因此对反应副产物进行研究是辅酶n a d h 及其模型物反应机理中重要的一环。 刘有成1 9 等在研究光诱导b n a h 还原2 一溴1 苯基亚乙基丙二酸二乙酯的反应机 理时，发现此反应在镁离子存在下主要生成产物( 1 ) ( 8 7 ) 和两个副产物( 2 ) ( 痕量) 和( 3 ) ( 痕量) ( s c h e m e1 - 1 1 3 ) 。 s c h e m e1 - 1 - 1 3 e 刑键一删一h v v 3 2 0 n mh 辩+ h 装譬 i p h ,，c o o e t + 斗c 只c o o e t + b n a + b r 。 h 2， ( 3 ) 副产物( 3 ) 的生成显然是两个自由基单体的偶合，于是他们认为反应肯定 是第一步发生电子转移，然后再脱b r 生成一个活性自由基中间体，此自由基中 间体再按不同途径分别生成产物( i ) 、( 2 ) ；f n ( 3 ) ( s c h e m el - 1 - 1 4 ) s c h e m e1 - 1 - 1 4 。州摊a h h v v 3 2 0 n m 啪e 卫。搬一 b p p e 卫。裟j 1 1 4 单电子氧化剂探针分子法 单电子无计和有机氧化剂是一类单电子转移机理探针分子。它们与n a d h 或其模型物作用，只能发生单电子转移反应。n 止g ，在辅酶n a d h 机理研究中， 人们常选用这类单电子氧化剂来研究n a d h 及其模型物的给出电子的性质。 f e n - n 3 3 + 也是一类单电子转移机理探针化合物，f u k u z u m i 2 0 等利用它来 研究辅酶n a d h 模型物的供电子性质。通过化学计量关系研究，他们发现，在 无碱存在时，b n a h 与 f e n - n 3 3 + 反应计量关系为1 ：l ，但在吡啶存在下，b n a h - 与 f e n n 3 】3 t 反应计量关系为l ：2 。他们的解释是，当反应体系中没有碱的存在 南开大学硕士学位论文 时，b n a h 与 f e l n n 3 1 n 反应发生单电子转移生成b n a h ”和 f e n - n b ”，生 成的b n a h “通过歧化变成稳定的物质不能被 f e n n 3 ”进一步氧化，所以反应 摩尔比为l ：l ：当反应体系中有碱的存在时，反应第一步生成的b n a h ”可与碱 作用转移一个质子生成b n a ，b n a 。可进一步还原 f e 【n n b ”生成b n a + ，所以 在碱的存在下，b n a h 还原 f e n n 3 ”的计量关系为1 ：2 。 1 1 5 同位素效应法研究h 。转移机理 1 9 7 1 年，s t e f f e n s 和c h i p m a n 利用同位素效应方法首先提出了电子转移机理 扪。他们在研究n a d ( p ) h 模型及其4 位氘代物还原d ，a ，a 一三氟苯乙酮的反应 时，发现其初级同位索效应k h k d 远远小于产物的同位素比率y h y o ，由此他们 认为，反应过程中有中间体的存在，且这个中间体很可能是一种电荷转移络合物 ( c t - c o m p l e x ) ，即在质子或氢原子转移之前，电子已首先由模型物转移至底物。 此后的许多研究证明了这种电荷转移络合物的存在和重要意义”，也有许多实验 都有k h k d 远小于y h y d 的报道，对电子引发的多步机理予以支持”。 然而，b r u i c e 等重新考察了其中的某些反应，并未发现钿，幻与y h y d 的差 异2 4 。他们将n a d ( p ) h 模型还原n 甲基吖啶正离子产生的k h k o 与y h y d 的差 异归因于同位素快速捕获( r a p i di s o t o p es c r a m b l i n g ) 效应和隧道效应( t u n n e l i n g e f f e c t ) 对钿腩d 和y h y d 的影响，并由此提出h 一步转移机理2 50 1 9 8 0 年，c h i p m a n 等也修正了他们原来提出的电子转移机理的结论。重新考察其动力学结果时他们 发现，是反应物生成的复合物造成了娟如与y h y d 的差异”。t k o s o w a r 2 7 证明了在不同的n a d ( p ) h 模型与n 甲基吡啶盐的反应中有电荷 转移络合物的生成。b r u i c ee t a 1 2 8 强调了黄素被b n a h 还原时，生成型的非键电 荷转移络合物( p r o d u c t i v en o n v a l e n tc tc o m p l e x ) 的形成在研究此反应动力学时 有重要意义。4 取代一2 ，6 。二硝基苯磺酸酯被b n a h 还原时，即观测到c t 络合物 的生成，又得到正的反应p 值，由此确立h 一步转移机理2 9 oo h n o 在研究b n a h 还原二苯基甲酰酮，二苯基乙二酮及其4 , 4 氯代物反应3 0 以及类n a d ( p ) h 模 型物1 取代4 ，4 二甲基二氢吡啶还原三氟甲基一5 一硝基a ，仪一三氟苯乙酮，3 ，5 一 三硝基苯，四氰基苯醌和n 甲基吖啶3 1 的反应中，都观测到c t 络合物的生成 和模型转移电子所形成的正负离子基对的e s r 信号。这些实验现象证实反应过 程中二氢吡啶类化合物能够转移电子给底物。 南开大学硕士学位论文 多步同位素效应( m i e ) 法是h e r m e s 3 2 等和b e l a s c o ”等发展起来的，用于 区分在酶催化反应中的多步反应和协同反应。简单的说，就是在分子的某个位置 进行有选择的氘代( 例如c h 键断裂的位置) ，然后研究其对别处键的形成或断 裂的动力学同位索效应的影响，s c h e m e1 。l 一1 3 可以说明m i e 方法是怎样用来区 分多步的电子转移和协同的历程的。 在n a d h 模型化合物1 h 2 与对苯醌及其衍生物的反应中，如果反应经历多 步电子转移历程，那其中应包括酸催化的电子转移和一般碱催化的1 h 2 + 脱质子 步骤。由于在氧化氘溶剂中，溶剂动力学同位素效应对第一步酸催化的电子转移 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应该一致。m u r r a y 3 4 等在研究 n a d h 模型化合物a c r h 2 和a c r d 2 与对苯醌的反应中，发现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。 i h + d 1 0 a ：多步电子转移机理 b 1 1 6 动力学方法研究h 。转移机理 + a 协同负氢离子转移机理 同位素跟踪和产物鉴定是机理研究中一种直接的宏观手段。但要想知道h 。 转移的微观机制，如过渡态的结构，还必须使用动力学手段，包括取代基效应， 动力学同位素效应，动力学与热力学的关联等等。 动力学研究方法主要基于模型二氢吡啶化合物转移h 或电子的过渡态中， 二氢吡啶环上电荷分布的不同所导致的动力学速率的不同。模型物的取代基对反 应速率的影响则与其对过渡态中环上电荷稳定的程度有关。1 ( 取代苄基) 一1 ， 4 - 二氢烟酰胺( x b n a h ) 和n 取代苄基5 一硝基异喹啉正离子( z b i q + ) 的反 应机理的研究正是从这点考虑出发的( s c h e m e1 1 1 2 ) ”。动力学同位素测得 x b n a h 同b i q + 的反应常数为p 。= 0 7 8 。将其与4 位被氰基取代的模型转移氰 l 一 飞嚣 i 南开大学硕士学位论文 基的平衡反应( s c h e m e1 - 1 1 3 ) 的反应常数d = 0 9 5 相比较，由于c n 的转移预 示着吡啶环上带有整整一个正电荷，因此反应( s c h e m e1 - 1 1 2 ) 过渡态中毗啶环 上应带有o 7 8 0 9 5 = 0 8 2 个单位正电荷。当对b n a h 同z ，b i q 进行研究时，得到 反应常数p ：= o 4 3 。这与z b i q + 得到o h 的p = 1 1 4 相比( s c h e m e1 1 1 4 ) ，可知 反应过渡态中z b q 应带1 - 0 4 3 1 1 4 = 0 6 2 个单位正电荷。因为过渡态要达到静 电平衡，必然有0 4 4 个单位的负电荷落到正在转移的氢核上( f i g u r e1 1 1 ) 。这 样带部分负电荷的氢核可以认为是具有h 的性质，因此这一步反应被认为经历 h 一步历程。用同样的方法研究x b n a h 还原n ( 取代苯基) 一异喹啉正离子时， 从计算得到转移氢核中应带有0 3 3 个单位负电荷( f i g u r e1 ，1 2 ) ，因此也被认为 是h 一步转移机理3 6 。但是，o h n o 对于这种把反应常数p 值用于某一原子的电 荷密度的计算方法表示质疑3 7 。此外，b r e w s t e r 等的确观测到了反应常数( p 为 2 7 6 ) 较大的电子引发的多步转移反应，即1 取代苯基一1 ，4 - 二氢烟酰胺还原极强 的单电子受体f e ( c n ) 6 3 的多步反应3 8 。 洲+ 两毗唰一 x - b n a h s c h e m e1 - 1 1 4 s c h e m e1 - 1 1 4 c h 2 c 6 h 4 z p c h 2 c 6 h 4 x - p x b n a h 2 c 6 h 4 z p c h 2 c 6 h n z r p 洲 州9 沁 ， 舭爷沁 允 南开大学硕士学位论文 0 6 2 + c h 2 c r h 4 z - p 05 】+ c 6 h 4 z - p f i g u r e1 1 2 f i g u r e1 1 3 b r u i c e 等在考察b n a h 及其衍生物同f e ( c n ) 6 3 反应的动力学及其同位素效 应时，得到如下的结果”：i ) 反应的计量化学表明一分子b n a h 可同两分子 f e ( c n ) 6 卜作用；i i ) 反应没有表现出初级同位素效应：i i i ) 反应的活化焓较小( h = 8 8k j m 0 1 ) ；i v ) 0 2 的存在影响反应速率：v ) 碱的加入使反应速度加快： v i ) f e ( c n ) 6 4 浓度的增加可抑制反应的进行。由此，他们提出“类负氢氢转移机理 ( h y d r i d e - l i k eh y d r o g e nt r a n