（应用化学专业论文）唯铁氢化酶活性中心模型配合物的合成和性质研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 氢化酶能够可逆催化质子还原产氢，由于其独特的蝶式构型和高催化活性，近年来 氢化酶活性中心的化学模拟和产氢机理的研究得到广泛关注。催化质子还原产氢的关键 问题是降低 2 f e 2 s 骨架中铁核的电子云密度使其更容易被还原，或者增大铁核上的电子 云密度使其更容易发生质子化。本论文通过在氮杂二铁二硫配合物引入五元和六元杂环 合成了一系列唯铁氢化酶活性中心的模型配合物，期望电荷密度较大的五元杂环的引 入，使质子化更易发生，电荷密度较小的六元杂环的引入可以降低还原电位。 在五元和六元杂环化合物中，本论文分别选择呋喃、噻吩和毗啶作为桥氮的取代基， 合成了一系列氮杂二铁二硫配合物 ( 肛- s c h 2 ) 2 n c h 2 ( 2 - c 腰3 0 ) f e 2 ( c o ) 6 ( 4 ) 、 ( p s c h 2 ) 2 n c h 2 ( 2 一c , 扛- 1 3 s ) f e 2 ( c o ) 6 ( 5 ) ， ( 肛- s c h 2 ) 2 n c h 2 ( 5 一b r - 2 c 4 h 3 0 ) f e 2 ( c o ) 6 ( 8 ) 和 ( s c i - 1 2 ) 2 n c h 2 ( 2 一c 5 i - h n ) f e 2 ( c 0 ) 6 】( 2 5 ) 。通过电化学测试发现呋喃和噻吩取代的模 型配合物4 和8 在高氯酸的作用下，桥氮上首先发生质子化，相应出现的还原峰电位分 别降低至一1 1 3 v 和- 1 0 9 v ，配合物8 中活性基团溴的引入使其具有更好的催化活性。在 强酸的作用下，配合物4 、5 和8 均在桥氮原子上发生质子化，而吡啶取代的模型化合 物2 5 在酸的作用下质子化具有选择性，发生在吡啶氮原子上，并得到质子化产物 ( s c h 2 ) 2 n c h 2 ( 2 一c s i - h n h ) f e 2 ( c o ) 6 c 1 0 4 】( 2 5 1 t ) 。 通过配合物4 和2 5 的配体交换反应得到单膦配体配位的化合物1 7 2 0 ，双膦配体 配位的2 1 和2 2 ，以及n - 一- - 甲基咪唑双卡宾配位的2 3 和2 6 。具有供电作用的膦配体 和卡宾配体取代铁原子上的羰基可以有效增大铁核上的电子云密度，使铁原子之间更易 发生质子化。在双三甲基膦配合物2 2 的电化学测试中，发现它的还原电位为一2 3v ，这 说明双三甲基膦配体取代可以增加铁上的电子云密度，并在酸的作用下发生铁原子之问 的质子化，形成氢键，并在电化学测试中催化质子还原产氢。而具有更强供电性配体的 双卡宾取代的配合物2 3 和2 6 的还原电位在一2 5 v 左右，羰基红外吸收峰为 1 9 6 3 1 8 8 6 c m 一，表明铁原子上电子云密度更大，从而更容易发生铁原子上的质子化， 在三氟乙酸作用下铁原子之间的负氢通过核磁氢谱的检测分别在一2 7 和一5 5p p m 。 此外在配合物8 的合成中发现n b s 与铁硫配合物作用的一种新反应。以配合物5 为原料，在n b s 的作用下并没有得到期望的溴化产物8 ，而是得到原料 ( “一$ 2 ) f e 2 ( c 0 ) 6 ( 1 ) ，通过改变不同的实验条件和反应物等辅助实验以及实验结果表征， 提出了这反应可能的机理。 配合物均通过红外光谱、核磁和质谱进行了表征，其中4 、5 、8 、1 7 、1 9 、2 1 2 3 、 2 5 、2 5 h 和2 6 等1 1 个配合物通过x 射线单晶衍射进一步证实了它们的结构。 唯铁氢化酶活性中心模型配合物的合成和性质研究 关键词：唯铁氢化酶；氮杂二铁二硫配合物；杂环；配体交换；催化质子还原制氢 大连理工大学博士学位论文 a b s t r a c t f e 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 d u c t i o no fp r o t o n st om o l e c u l a rh y d r o g e na n d t h eo x i d a t i o no fh y d r o g e nt op r o t o n sa te x t r a o r d i n a r i l yh i 曲r a t e s o w i n gt ot h eb u t t e r f l y g e o m e t r ya n dh i g he 伍c i e n c y ，t h ec h e m i c a lm i m i ca n d t h em e c h a n i s mo f h y d r o g e np r o d u c t i o n o f t h eh y d r o g e n a s e sa c t i v es i t ea r eo f p a r t i c u l a ri n t e r e s tt or e s e a r c h e r si nt h i sf i e l d d e c r e a s i n g t h ee l e c t r o nd e n s i t yo ft h ef ea t o m so ft h e 2 f e 2 s 1c o r ec a l ll c a dt ol o w e rt h er e d u c t i o n p o t e n t i a l s ，w h i c hi st h ek e yt op r o d u c ed i h y d r o g e n h e r e i n ，as e r i e so fd i i r o nd i s u l f i d e c o m p l e x e s ，t h r o u g hi n t r o d u c i n gf i v e o rs i x m e m b e r e dh e t e r o c y c l i ct i n g s ，w e r es y n t h e s i z e d a 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 ft h ef e - o n l yh y d r o g e n a s ea c t i v es i t e w ee x p e c t e d m a tt h ep r o t o n a t i o na f t e ri n t r o d u c t i o no fa l le l e c t r o n - r i c hf i v e - m e m b e r e dr i n go rt h ed i r e c t a t t a c h m e n to ft h ee l e c t r o n - p o o rs i x - m e m b e r e dh e t e r o c y c l eo nt h ef e - se l u s t e l m i g h th a v e s o m ef a v o r a b l ee f f e c t so ni t sr e d u c t i o np o t e n t i a l f u r a n t h i o p h e na n dp y r i d i n ew e r ei n t r o d u c e da sa n - s u b s i t i t u t e n t sf o rt h es y n t h e s i so f a s e r i e so fc o m p l e x e s ( - s c h 2 ) 2 n c h 2 ( 2 一c 正 1 3 0 ) f e 2 ( c o ) 6 ( 4 ) ，【 ( p - s c h 2 ) 2 n c h 2 ( 2 一c 4 h 3 s ) f e 2 ( c o ) 6 】( 5 ) ， ( “一s c h 2 ) 2 n c h 2 ( 5 一b r - 2 一c 4 h 3 0 ) f e z ( c o ) 6 】( 8 ) ，【 ( p s c h 2 ) 2 n c h 2 ( 2 一c 5 出n ) f e 2 ( c o ) 6 】( 2 5 ) ，w i t h t h eb a s i ck u u c t u r eo f a z a d i t h i o l a t e ( a d t ) t h e e l e c t r o e h e m i c a le h a r a c t e r i s t i co f4a n d8s h o w e dt l l a tt 1 1 e i rr e d u c t i v ep o t e n t i a l sw g r el o w e r e d t or e a c h 1 1 3v ( f o rf u r a nd e r i v a t i v e ) a n d - 1 0 9v ( f o rt h i o p h e n ed e r i v a t i v e li nt h ep r e s e n c e o f h c l 0 4 h aa d d i t i o n 。t h ei n t r o d u c t i o no f b r o m ot ot h et h i o p h e n er i n go nc o m p l e x8m a d ei t b e t t e rc a t a l y t i cc a p a b i l i t y u n d e rt h es t r o n ga c i d ，t h ep r o t o n a t i o no c c u r r e do nt h en - b r i d g e d a t o mf o r4 ，5a n d8 ，b u to nt h ep y r i d i n en f o r2 5 ，w h i c hw a st h ep r o t o n a t i o np r o d u c t2 5 h t h el i g a n de x c h a n g e so fc o m p l e x4a n d2 5w e r ef u r t h e rs t u d i e d l i g a n de x c h a n g e so f c a r b o n y l sw i t ht h ee l e c t r o n d o n a t i o nl i g a n d sc a l ls t r e n g t h e nt h ee l e c t r o nd e n s i t yo fd i i r o n a t o m s ，t h e r e f o r ea r ee a s i e rt oc a p t o r eap r o t o n h lt h i ss t u d y , c o m p l e x e s1 7 2 0w i t hm o n o p h o s p h o r o u sl i g a n d s ，2 1 ，2 2w i t hd i p h o s p h o r o u sl i g a n d s ，a n dm o r e o v e r , c o m p l e x e s2 3a n d2 6 w i t hb i s1 , 3 一d i m e t t i y l i m i d a z 0 1 2 y l i d e n ec a r b e n el i g a n d sw e r es y n t h e s i z e d t h er e d u c t i o n p o t e n t i a lo fc o m p l e x2 2w a so b s e l v e da t - 2 3v d u et ot h ei n c r e a s e de l e c t r o nd e n s i t yo f f e - f eb o n db yt h ee l e c t r o n - d o n a t i o nl i g a n dp m e 3 t h ep r o t o n a t i o no c c u l t e db e t w e e nd i i r o n c o r ei nt h ep r e s e n c eo ff 3 c c 0 2 h f u r t h e r m o r e ，t h er e d u c t i o np o t e n t i a lo f2 3a n d2 6w e r ea t a r o u n d - 2 5v ，a t t r i b u t e dt ot h es t r o n g e re l e c t r o n d o n a t i o nc a r b e n el i g a n d s i na d d i t i o n 。t h ei r r e s u l t so ft h ed i s u b s t i t u t e dc a r b e n ec o m p l e x2 3a n d2 6w e r eo p t i m i s t i c o w i n gt ot h el o w e r w a v en u m b e ro f c a r b o n y lp e a ka t1 9 6 3 1 8 8 6 c m 一，w h i c hs h o w st h a te l e c t r o n - d o n a t i n ga b i l i t y i ss t r o n g e ra n d c a p t u r i n gp r o t o ni se a s i e r t h en e g a t i v eh y d r o g e ns i g n a l sw e r ea l s od e t e c t e da t 2 7a n d - 5 5p p mb v1 hn m r ha d d i t i o n an e ws o r to fn b sr e a c t i o nw a sf o u n du n e x p e c t e d l yi nt h es y n t h e s i z i n go f 唯铁氢化酶活性中心模型配合物的合成和性质研究 c o m p l e x8 w h 印w et r i c dt op e r f o r mt h eb r o m i n a t i o no fc o m p l e x5b yu s i n gn b s w ed i d n o to b t a i nt h ee x p e c t e db r o m o s u b s t i t u t e dp r o d u c t b u tt h er e g e n e r a t i o no ft h es t a r t i n g m a t e r i a l 【( r t s 2 ) f e 2 ( c o ) 6 】( 1 ) w a so b s e r v e d ap o s s i b l em e c h a n i s mw a sp m p o s e , da f t e rt h e a u x i l i a r ye x p e r i m e n t sw i t hd i f f e r e n tr e a c t i o nc o n d i t i o n s ，r e a c t a n t s , a sw e l la st h e c h a r a c t e r i z a t i o no f s t r u c t u r e s a 1 1c o m p l e x e sw e l ec h a r a c t e r i z e db ym s ，n m r a n di rs p e c t r aa n dt h es t r u c t u r e so f 4 ，5 ， 8 ，1 7 ，1 9 ，2 1 2 3 ，2 5 ，2 5 ha n d2 6w e r ed e t e r m i n e db yx - r a yc r y s t a ld i f f i a c f 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 na z a d i t h i o l a t ec o m p l e x ；h e t e r o c y e l e ；l i g a n d e x c h a n g e ；c a t a l y t i ch y d r o g e np r o d u c t i o n i v 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己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 大连理工大学硕士研究生学位论文 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”，删意 大连理。卜火学保留并向国家有荚部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅干1 苻 | j i | 。本人授权人连理1 人学i 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也i u 采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：劬 洲张旦丛捌 d 唧年占月 大连理工大学博士学位论文 引言 自从二十世纪七十年代来，随着人口的不断增长和工业的扩大化发展，不可再生能 源已经几近枯竭，能源已经成为制约当今社会可持续发展的瓶颈。近年来，为实现人类 社会与自然界的可持续发展，各国都在投入大量的人力和物力来开发新型的能源。在未 来的能源系统中，清洁、环保的可再生能源将会成为研发的主流。 与太阳能、核能、风能、生物能等能源相比，氢气是一种能源载体，其唯一燃烧产 物是水，对环境无害，因此具有清洁和高效等特点，是人们寻求的理想能源之一。但是 由于制氢气成本高，氢能只能应用在航天等高科技领域，因此研究者们致力于开发各种 技术来降低产氢成本，但是迄今为止还未能找到一种廉价的制氢催化剂。 研究发现自然界有一种存在于厌氧微生物中的生物酶，能够通过简单的方法将质子 还原成氢气。1 9 3 1 年s t c p h c n s o n 和s t r i c k l a n d 把这种生物酶命名为氢化酶。这种含铁的 氧化酶能够可逆催化质子还原产氢，具有很高的催化活性，每摩尔氢化酶每秒可产生 6 0 0 0 9 0 0 0 分子氢气。1 9 9 5 年后相继报导了几种较高分辨率的氢化酶晶体结构，其中1 9 9 8 年和1 9 9 9 年，p e t e r s 和f o n t e c i l l a 等人分别从巴氏梭菌( c p i ) 和脱硫脱硫弧菌( d d h ) 中提取了唯铁氢化酶蛋白，并得到了其高分辨的晶体结构。由此其活性中心的结构已基 本清楚，这为化学模拟氢化酶提供了基本依据，为能够在分子水平上模拟氢化酶活性中 心，研制出制氢成本低廉的高效催化剂奠定了基础。 在揭示唯铁氢化酶活性中心的基本结构后，由于其独特的活性中心结构和高效的催 化性能以及在催化产氢和燃料电池等领域的潜在应用性，氢化酶的研究得到了更多研究 者的关注。其中代表性的研究组有美国的d a r e n s b o u r g 和r a u c h f u s s 两个研究组和英国 的p i c k e t t 研究组，法国的c a p o n 研究组和国内宋礼成研究题组也在这一领域开展了相 关工作。近几年来，他们在化学模拟唯铁氢化酶活性中心方面做了大量的工作，合成了 很多以丙烷桥、氧杂丙烷桥和氮杂丙烷桥 2 f e 2 s 为骨架结构的唯铁氢化酶活性中心的模 型化合物。对其催化质子还原产氢性能进行了较为深入的探索，提出了几种可能的催化 机理，为揭示唯铁氢化酶活性中心的真实结构和催化机理奠定了基础。 但是，仍有一些问题有待进一步解决。如：l 、桥连氮原子在催化质子还原过程中 究竟起着怎样的作用? 2 、如何设计氢化酶活性中心模型配合物分子结构，使配合物更 易还原? 3 、如何设计氢化酶活性中心模型配合物，使其能够更容易捕获和稳固质子? 基于这些问题，本文合成了一系列氮杂二铁二硫配合物为基本结构的氢化酶活性中心的 模型配合物，并讨论了它们的结构特征和化学性质。 唯铁氢化酶活性中心模型配合物的合成和性质研究 1 文献综述 前言 实现人类社会的可持续发展，人们必须控制常规能源的消耗，逐步建立起以可再生 能源为主体的能源体系。氢气由于其释放能量的方式对环境无任何污染，被誉为理想 的能量载体，因此研制廉价高效的制氢催化剂是开发和利用氢能的发展方向。自然界微 生物体内存在的氢化酶为我们提供了可以借鉴的模式【2 】，氢化酶是一类存在于微生物体 内的生物酶，它能够催化氢气氧化和质子还原的可逆反应：2 h + + 2 e h 2 。1 8 9 1 年人 们发现厌氧微生物体内的某种物质能够分解甲酸产生氢气和二氧化碳，1 9 3 1 年 s t e p h e n s o n 和s t r i c k l a n d 将其命名为氢化酶p 】。 利用氢化酶制氢，主要有两种趋势：1 、直接利用氢化酶：利用基因改良的方法， 使微生物大量释放氢气【4 】：将分离得到的氢化酶与电子转移染料相混合，利用光敏染料 捕获光能，光致产氢【5 】；将氢化酶固载到电极表面，然后加入电子转移染料，在电化学 条件下催化还原制氢【6 】。2 、对己知的氢化酶活性中心结构进行化学模拟，通过人工合成 模拟自然界氢化酶的氢气的氧化和质子还原过程，得到廉价高效的质子还原催化剂7 一。 由于化学合成可以修饰结构，具有潜在的实用性，所以氢化酶活性中心的化学模拟 得到越来越多化学家的关注。 1 1 氢化酶活性中心结构 近年来生物科学飞速发展，使生物酶结构和功能的研究得到很大的促进。1 9 9 5 年 f o n t e e i l l a - c a m p s 在自然上报导t n i f e 氢化酶的晶体结构( 图i ia ) p , 1 0 l 。1 9 9 8 至1 9 9 9 年，p e t e r s 和f o n t e c i l l a c a m p s 等人分别报导了分辨率为1 8 a 和1 6 a ( 图1 1 b ，c ) 的巴氏 梭菌唯铁氢化酶和脱硫脱硫弧菌唯铁氢化酶的晶体结构1 2 j 。 图1 1 ( a ) 脱硫弧菌镍铁氢化酶；( b ) 巴氏梭菌唯铁氢化酶；( c 1 脱硫脱硫弧菌唯铁氢化酶 f i g u r e1 1 ( a ) n i - f eh y d r o g e n a s e 行o m d , g i g a s ；( b ) f e - o n l y h y d r o g e n a s e f r o m c l o s t r i d i u m p a s t e r i a n u m ( c ) f e o n l yh y d r o g e n a s ef r o md e s u l f u r v i b i r od e s “l f u r i c a n s 1 2 】 大连理工大学博士学位论文 根据氢化酶所含金属的不同，氢化酶大致分为f e - f e 氢化酶和n i f e 氢化酶( 包括 n i - f e 和n i - f e s e 两类) 。f e f e 氢化酶能够可逆催化质子还原产氢，n i f e 氢化酶主要执行 催化氧化氢气为质子。其中f e f e 氢化酶的产氢活性高，是n i - f e 氢化酶的1 0 1 0 0 倍1 4 j ，约 为6 0 0 0 - - 9 0 0 0 m o l s 【l ”，更具有研究价值，因此目前主要是对唯铁氢化酶活性中心进行化 学模拟及其产氯机理的研究。氛化酶晶体结构的确定推动了氢化酶的利用等研究领域的 发展，氧化酶活性中心的化学模拟已经成为当今生物无机化学领域的研究热点之一m ”】。 通过巴氏梭菌氧化酶和脱硫脱硫弧菌氢化酶的晶体解析发现”】。其活性中心 ( h c l u s t e r ，氢簇) 的骨架结构由两个铁原予和两个硫原子构成，形成蝶状结构，也称 为类四角锥式结构( 图1 2 ) 。活性中心的 2 f e 2 s 结构主要由f e 原子的配体部分( c o 和 c n ) 和连接s 原子的桥连部分( a d t 或p d t ) 组成。一个 4 r e 4 s 簇通过半胱氨酸硫原子 与结构中的一个铁原子配位连接。通过晶体和红外光谱表明，在p r e 2 s 的骨架结构中与 铁原子配位的除 4 f c 4 s 】外还有c n 和c o 两类配体【1 4 ，”】，它们通常被认为是对生物体有毒 害作用的基团，在此之前从未在生物体内发现过。 x = h 2 0 0 r c o o rh 2 图1 2 巴氏梭苗唯铁氢化酶活性中心( 氢簇) 结构 f i g u r e1 2s t e r e ov i e wo f t h ec p lh - c l u s t e r i l l 】 o ? 1 通过晶体解析，在具有催化活性的 2 f e 2 s 结构中，与铁原子相互配位的两个硫原子 由三个饱和的原子连接，但是由于晶体解析的分辨率不够高，不足以确定连接两个硫配 体的是c 、n 或o 原子。最初人们认为连接硫配体的是1 ，3 一亚丙基( c h 2 c h 2 c h 2 ) 结构 ( p d t ) 1 1 2 , 1 4 。随着研究的日益深入，理论计算与晶体解析表明：连接两个硫原子的桥 结构为2 一氮杂1 ，3 - 亚丙基o c h 2 n h c h 2 - ) 结构( 氮杂丙烷桥，a d t ) 的可能性更大 1 6 , 1 7 ， 因为f e 原子周围存在仲胺结构有利于捕获质子和氢气异裂 1 8 1 一般认为： 4 f e 4 s 簇主 要作用是电子传递的通道，所以氢簇中将质子还原为氢气的应该是 2 f e 2 s 骨架结构。 唯铁氢化酶活性中心晶体结构的研究表明，在不同条件下，无论是氧化态还是还原 态，f e f e 键长均在2 6 0 - - 2 6 2a 之间【1 1 , 1 2 , 1 8 基本不随铁原子的氧化还原态而改变。而通 过化学模拟得到的氧化酶模型化合物中，通常有c o 和c n 配体取代的 2 f e 2 s 】结构的 唯铁氢化酶活性中心模型配合物的合成和性质研究 f e - f e 键长约为2 5 2a 。由此可见，桥羰基和半胱氨酸配体在质子还原过程中，起到了重 要的作用。事实上含有桥羰基的氮化酶模型化合物的f e - f e 键长约为2 5 5a ，的确更接近 生物体内氢化酶铁原子之间的键长i i ”。在不同测量条件下，配体c n 和c o 的红外特征峰 随着氢簇中心铁的价态变化发生位移 t s , i s l 。这些变化表明氢化酶活性中心结构是通过铁 与配体之间形成的反馈“键来维持键长稳定的。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、氰基与铁之间的电子反馈，具体表现为配体特征峰发生变化1 2 0 - 2 2 。 因此，可以根据c n 和c o 红外特征峰的变化推断 2 f e 2 s 结构中铁的氧化还原价态变化。 图1 3 ( a ) 电予从 2 f e 一2 s 和 4 f e - 4 s 簇向活性中心传递的路径： ( b ) 电子传递过程中 f e s 】的空间位置及命名【1 1 】 f i g u r e t 3 ( a ) p o t e n t i a le l e c t r o n t r a n s f e r p a t h w a y s f r o m t h e 【2 f e - 2 s 】a n d 4 f e m s 】c l u s t e r s t o t h e a c t i v e - s i t ec l u s t e r ；( b ) l o c a t i o n sa n dn o m e n c l a t u r ef o rt h e f e s 】d u s t e r si nt h es a m ep e r s p e c t i v ea si n ( a ) 了解唯铁氧化酶活性中心的结构特征之后，不禁要问电子是如何进入唯铁氧化酶活 性中心将质子还原的? r e s 1 簇空间距离在8 1 1 a 之间，相互作用的f s 4 b ，f s 4 a 和h c 通 过其周同的氨基酸和水分子的共价键或者氢键在两个氢簇之间顺序连接形成电子传递 通道，连接点的f s 4 b 接收从f e s 2 的 2 f e 2 s 簇和f s 4 c ! 拘 4 f e - 4 s 簇传递而来的电子。 因为f e s 2 和f s 4 c 接近蛋白质表面，所以很可能是生理上初始的电子受体i l i j ( 图1 3 ) 。 唯铁氧化酶活性中心存在一条亲水通道，可以将外界质子转移到氧簇，但质子是如 何与活性中心j 免生作用而被还原的呢? 在比较了巴氏梭菌和脱硫脱硫弧菌唯铁氧化酶 活性中心周围的氨基酸残基后，p e t e r s 等人认为：半胱氨酸( 巴氏梭菌中的c y s 2 9 9 和脱 硫脱硫弧菌中的c y s l 7 8 ) 与空配位的f e 原子形成弱键作用，将外界质子摆渡到活性中 心上( 图1 4 ) 2 3 1 ，得到电子从而产生氢气。 奎堡翌三查兰堡主堂壁堡奎一 图1 4 ( a ) 巴氏梭菌唯铁氢化酶与( b ) 脱硫脱硫弧菌唯铁氢化酶活性中心周围 氨基酸的环境比较( c ) 氢化酶催化作用下两个质子还原生成氢气 f i g u r e1 4c o m p a r i s o no f s e l e c t e da m i n oa c i di nt h ee n v i r o n m e n to f d i i r o ns u b c l u s t e r ( a ) c l o s t r i d i u m p a s t e u r i a n u mf e h y d r o g e n a s ei ( c p i ) a n dc o ) d e s u 扣v i b r i od e s u l f u r i c a n sf e - h y d r o g e n a s e ( d d h ) ( c ) t w o h y d r o g e np r o t o n sr e d u c e dt oh y d r o g e n 2 ” 1 2 唯铁氢化酶活性中心化学模拟 自然界中的唯铁氮化酶在大约4 0 亿年前就已经存在【2 4 】，唯铁氢化酶的晶体结构揭 示了其活性中，l , 2 f e 2 s 单元与双核铁羰基金属有机配合物【m s r ) 2 f e 2 ( c o ) 6 具有极其相 似的特征。1 9 2 9 年，r e i h l e n 等人首次报道了这类配合物的合成【2 5 】。2 0 世纪8 0 年代以来， 双核铁羰基配合物【( p s r ) 2 f e 2 ( c o ) 6 】得到了广泛的研究，s e y f e r t h 和宋礼成等研究组通 过对这类配合物多年的研究，建立了系统的方法【“，合成了不同烷基取代的六羰基 【2 f e 2 s 】配合物【2 9 ，”1 。当时人们并不知道这一结构对生物具有如此重要的作用，直至1 9 9 8 年报导了唯铁氢化酶的晶体结构。从二十世纪末开始，在此基础上，许多研究者就在结 构和功能上模拟合成唯铁氢化酶活性中心结构，希望能够通过人工模拟体系在分子水平 上模拟自然界的产氢过程，从而找到一种廉价、高效的制氢催化剂。 在唯铁氢化酶活性中心的晶体结构中，铁原子上配体除了羰基和氰基，还有半胱氨 酸的硫原子，这个硫原子是电子传递通道 4 f e 4 s 与 2 f e 2 s 骨架结构的连接点，在电子 传递过程中具有重要的作用。r a u c h f u s s 和p i c k e t t 研究组分别以氮杂丙烷桥和丙烷桥二铁 二硫配合物为母体结构合成了具有 2 f e 3 s 结构的模型化合物 f e 2 ( s c h 2 ) 2 n c h 2 c h 2 s m e ( c o ) 5 和【f e 2 ( s 3 b z ) ( c o ) 3 ( c n ) 2 】9 1 ”】，通过光谱表征和理论计算考察了它们的氰基配体 取代和桥羰基形成的动力学过程，发现连接 2 f e 2 s 和 4 f e 4 s 簇的半胱氨酸的硫原子很 可能在氢气形成过程中非常重要。这一研究实现了在 2 f e 2 s 核的一个铁原子上引入另外 一个含硫配体，为全合成唯铁氢化酶活性中心提供了有效的合成方法【2 t3 3 】。p i c k e t t 等人 研究了此类配合物在电化学条件下，不同温度时硫配体的配位与解离。同时利用电化学 唯铁氢化酶活性中心模型配合物的合成和性质研究 和红外光谱联用技术测量t 2 f e 3 s 配合物在不同氧化态时配体c o 、c n 的红外特征峰的 变化，并与唯铁氢化酶活性中心的红外特征峰进行了比较【3 l ” 。 2 0 0 5 年p i c k e t t 研究组在自然上首次报导了将 4 f e 4 s 簇连接到以丙烷桥【2 f e 3 s 】 为骨架结构的氢化酶活性中心模型化合物( 反应式1 1 ) 【3 ”，其结构更接近生物体内的 唯铁氢化酶活性中心结构。其中化合物d 通过负离子电喷雾质谱和m 6 s s b a u e r i 着证实了其 结构，并通过泛函计算( d f t ) 模拟出了它的分子构型，这一氢化酶模型加深了我们对 自然界中这一神秘过程的理解，为全合成氢化酶活性中心结构提供了正确的指导方向。 l，“ 价是 嚣黼 p 竹卤虬鹏i c 】_ b c l c 附瓣。k 心 一1 - 反应式1 1 连接有 4 f e 4 s 的骨架结构为【2 f c 3 s 】的氢化酶模型配合物的合成路线 s c h e m e1 1t h es y n t h e t i cr o u t ef o r z f e 3 s h y d r o g e n a s em o d e lw i t h 4 f e 4 s 3 7 】 氯化酶的晶体结构研究表明：在氢化酶活性中心附近存在许多半胱氨酸残基和半胱 氨酸配位的铁硫簇f 9 ”j ，半胱氨酸本身也参与了活性中心金属的配位。此外，在比较了 氯化酶活性中心周同的氨基酸残基后，p e t e r s 等人认为半胱氨酸( 巴氏梭菌唯铁氢化酶 的c y s 2 9 9 和脱硫脱硫弧菌唯铁氢化酶中的c y s l 7 8 ) 与空配位形成了弱键f z 2 】，为活性中 心提供了质子源。电化学研究表明：半胱氨酸在金属钴盐的存在下，在极谱中可以产生 催化氯波 ：羰基 f e s 结构也可以在电化学条件下还原质子【“。 孙立成课题组曾报导将氨基和羧基被保护的半胱氨酸引x 至l j 2 f e 2 s 结构上，并考察 了半胱氨酸在氢化酶活性中心的质子还原过程中的所起的作用f 4 ”。但它氧化还原电位与 一般的 2 f e 2 s 】配合物的电位差别不大，说明被保护的半胱氨酸对f e 的还原电位没有明显 影响。但是该化合物经过分子内环化得到的配合物 i t - ( c y s ) e d t f e 2 ( c o ) 6 的反应表明( 反 一。可撩妒黟 厶揩 啦嘭 哪一一 产_弋皿 大连理工大学博士学位论文 应式1 2 ) ：【2 f e 2 s 1 中的硫原子具有亲核性，可以进攻分子内具有电正性的c 原子，是一 种自发的新型环化反应，为氢化酶活性中心桥联部分的形成提供了一种可能的机理。 一- p o + 建 山 。；尹。鲁。 乞“ h 2 c 一一y 吒量芯尸 洲少一f t i c o o c c o s - c o n f i g u r a t i o n 反应式1 2 含半胱氨酸f e - s 配合物的合成方法 s c h e m e1 2t h es y n t h e s i so f f e sc o m p l e x e sc o n t a i n i n gc y s t e i n e l 4 l 】 宋礼成研究组多年一直深入研究含有羰基配位的铁硫化合物，在以氧杂丙烷桥二铁 二硫结构 c “c h 2 0 c h 2 ) f e 2 ( c o ) 6 上，通过外源硫原子与f e 原子配位，引入茂铁结构，得 到了【3 f e 2 s 】结构配合物1 4 “。这一结构为【2 f e 2 s 骨架结构连接电子传递通道 4 f e 4 s 簇， 即氢簇的全合成奠定了基础。该组另有研究表明骨架机构中的s s 键可以在l i b e t 3 h 等有 机锂试剂和g r i g n a r d 试剂的作用下断裂，从而表现出丰富的化学活性。它可以与有机物， 无机物和有机金属物质发生反应得到具有独特结构特征和性质的单聚物、二聚物或者多 聚物的铁硫簇结构，甚至得到了具有冠醚结构特征的六羰基配位的铁硫簇的四聚体【4 目， 这种独特的冠醚结构可能有利于离子的传递和分子识别。此外提出了合成这种铁硫骨架 结构的一种新的合成方法及其一系列的新型反应。 a d a m s 2 0 0 4 年报导将对苯醌引入混合金属核为m o m n 的含双硫原子配合物中f 5 2 】， 由于其构型与氮化酶的二铁二硫骨架结构相似，后又在光照条件下把对苯二酚引入到铁 硫配合物中p ”。由于醌的衍生物在细胞呼吸、光合成和血液凝结中起到重要的作用，所 以新颖的醌与氢化酶骨架的结合打开了这类金属有机化合物的一个新的方向。 f 2 f e 2 s 骨架结构使合成唯铁氢化酶活性中心模型成为可能，但是还不能观察到唯 铁氢化酶的分子结构中还原态f e - f e 键的再生。与活性中心的结构差异是氢化酶模型活 性较差的主要原因。d a r c n s b o u r g 研究组以密度泛函计算为理论基础来设计还原态的酶活 性中心，并提出两个合理的合成方案：一是合成如s ( c h 2 ) 2 x ( c h 2 h s ( x = c h z ，n h ，讲0 ) 的含s t o - s 的配体；二是合成立体构型的s - t o s 和不对称配体，使一个铁原子上连接上一 唯铁氢化酶活性中心模型配合物的合成和性质研究 个强供电子基团而另一个铁原子上连接一个强吸电子基团”。 此外，太阳能是我们赖以生存的地球的能源基础，如果能够像微生物一样利用太阳 能还原质子产氢，应用前景非常广阔。分离得到的氢化酶在光照下催化放氢的速率很低， 但是如果加入合适的电子载体，放氢的速率就会大大提高州。由于唯铁氢化酶活性中心 包围着许多蛋白质，所以将光敏剂、电子载体和氢化酶简单的混合，并不能有效地解决 电子传递等问题。为解决此问题，孙立成研究组首次将三联吡啶钌光敏剂引入到了 2 f e 2 s 骨架的模拟结构上( 图1 5 ，r u l 和r u 2 ) ，虽然由于r u f e 双金属中心的氧化还 原电位相差较大，无法实现从光敏体系与 2 f e 2 s 结构的分子内电子转移，但为直接利用 太阳能还原质子制氢提供了新方法p ”1 。 2 0 0 6 年宋礼成研究组报导了将光敏剂卟啉引入氮杂二铁二硫的骨架结构中( 图1 5 ) 5 9 1 ，因为这种卟啉结构可以吸收4 6 太阳能【6 0 ，6 1 1 ：它的激发态寿命比三联吡啶钌更长 【6 2 ，6 3 】；另外三联吡啶钉是碱性的，而卟啉是中性的。综合以上三点，化舍物p h l 的光驱 动电子转移比化合物r u l 和r u 2 更容易发生。研究表明这种荧光光谱的变化是由于激发态 下电子由四乙基卟啉转移到了二铁二硫的活性中心上，而这种分子内的电子转移对实现 光驱动的质子还原是至关重要的。由此可见把光敏剂卟啉引入二铁二硫的骨架结构中对 最终实现光致产氢起到了很好的指引作用。 图1 5 在氢化酶活性中心骨架结构中引入光敏体系r u l ，r u 2 和p h l f i g u r ei 5 t h ea c t i v es i t e m o d e l o f h y d r o g e n a s ee o v a l e n f l y l i n k e d t oa p h o t o s e n s i t i z e r a ，b a n dc 5 7 - 5 9 1 大连理工大学博士学位论文 引露i _ e 噶n i 麟0 - - 。h n c 旋3 一哒3 夕 ”：八f 吲j 擎 唯铁氢化酶活性中心模型配合物的合成和性质研究 r a u c h f u s s 研究组2 0 0 4 年报导了一类新型的氢化酶模型 f e 2 ( s 2 c n h 抽) ( c n m e ) 6 - 。 ( c o ) ，( n