1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 含吡啶基团的 FeFe-氢化酶模型化合物的合成和表征 所在学院 专业班级 环境工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 : 本论文设计合成了一些新颖的 FeFe-氢化酶模型化合物，通过对其化学性质的研 究以进一步了解 FeFe-氢化酶模型化合物的活性和意义作有益的参考。论文的研究内容主要包括：以 2,2-羟甲基丙酸为起始原料，与二氯亚砜反应合成 2,2-二氯甲基丙酰氯，再 与2-氨基吡啶反应合成 2,2-二氯甲基丙酰基氨基吡啶，经 LiAlH4还原得到最终配体，最后与 Fe2(CO)6S2Li2反应得到含 吡啶基团 的 F
2、eFe-氢化酶模型化合物 ， 利用 IR、 NMR等检测手段对相关化合物进行了表征。 关键词： FeFe-氢化酶，模型化合物，含吡啶官能团 II Synthesis and characterization of model compound of FeFe hydrogenase containing pyridine group ABSTRACT This dissertation was focused on the designing and synthesizing of a novel model compound of FeFe-hydrogenase. Through the
3、study of the mimics, we can further understand the activity and function of FeFe- hydrogenase for useful reference. The dissertation is mainly concerned with the following aspects: firstly, 2, 2-propionic acid as the starting material, was reacted with thionyl chloride to obtained 2,2-dichloro-methy
4、l-propionyl chloride; then the product was introduced to 2-aminopyridine to form the 2,2 - dichloro-propionyl-amino methyl pyridine; finally, reduction of complex 2 with the aid of LiAlH4 was produced the aimed ligand (L). Model complex containing a pyridine group was synthesized by the reaction of
5、L with Fe2(CO)6S2Li2. Related compounds were characterized by IR, NMR and other technologies. KEY WORDS： FeFe-hydrogenases, Model compounds, Functional groups containing pyridine III 目录 1 绪论 1 1.1 研究背景 1 1.2 FeFe-氢化酶研究综述 1 1.2.1 FeFe-氢化酶简介 2 1.2.2 FeFe-氢化酶 活性中心的结构模拟 3 1.2.3 FeFe-氢化酶的催化循环机理 4 1.3 本论文
6、研究内容和研究意义 7 2 实验部分 9 2.1 试剂及仪器 9 2.1.1 实验试剂 9 2.1.2 实验仪器 9 2.2 实验步骤 10 2.2.1 化合物 a 的合成： 10 2.2.2 化合物 b 的合成： 10 2.2.3 化合物 c 的合成 ： 11 2.2.4 目标产物的合成： 11 3 结果与讨论 13 3.1 化合物 a 和 b 的合成： 13 3.2 化合物 c 的合成： 15 3.3 目标产 物的合成： 15 4 总结 17 致谢 错误 !未定义书签。 参考文献 : 18 1 1 绪论 1.1 研究背景 近年来能源及与之相关的环境问题成为全世界各国最为关注的热点，中国能源
7、开发利用呈现出以下主要特点：一是能源以煤炭为主，可再生资源开发利用程度很低；二是能源消费总量不断增长，能源利用效率较低。中国按以往的过量消耗资源、能源和污染环境的发展模式已难以为继。要解决这一问题不仅要注意节能减排，更重要的是开发新的清洁的可持续发展的能源。这类能源包括太阳能，水能，风能，地热能，潮汐能等。但是这几种能源在实际应用中存在 着不稳定性，无法像化石燃料那样储存起来得以随用随取，并且利用成本也高，因此他们很难得到 广泛的应用。还有一种清洁且可持续的能源即氢能，它有无污染，燃烧热值高等优点。若解决了它的制备，储存，运输等问题，氢能可以得到长足得发展。目前工业制氢使用昂贵得储量有限的贵金
8、属铂和钯作为催化剂，使得制氢成本高而且不能可持续发展。生物体内存在一种可以在常温常压上实现可逆地催化质子的还原和氢气的氧化的金属酶，我们称之为氢化酶。我们可以采用人工合成这种酶的活性中心，并利用它来制取氢气，以此来解决日益严重的能源问题。目前已有越来越多的科学工作者投身到化学模拟氢化酶的工作中，使氢化酶活性中心的化学模拟成为当今世界生物无 机领域的研究热点之一。 氢化酶 (hydrogenase) 是可以可逆催化氢气的氧化与质子的还原的金属酶，它在厌氧型新陈代谢中起着关键的作用，到目前为止，人们发现的氢化酶中都含有金属 【 1,2】 。根据氢化酶活性中心所含金属的不同，可以分为镍铁氢化酶 (N
9、iFe-hydrogenase)不含铁硫 立 方 烷 的 氢 化 酶 (Iron-sulfur cluster free hydrogenase) 和 FeFe- 氢 化 酶(FeFe-hydrogenase)。其中不含铁硫立方烷的氢化酶和其他两种氢化酶有较大的不同，它只能催化一特定底物 methenyltetrahydromethanopterin(methenyl-H4MPT+) 与氢气的加成反应，这是厌氧菌利用氢气还原二氧化碳得到甲烷的中间步骤。 FeFe-氢化酶是三种氢化酶中催化还原质子产生氢气活性最高的催化剂，其单个活性中心每秒能产生6000-9000 个分子的氢气，是其它两种氢化酶
10、的 10-100 倍。鉴于氢化酶在温和条件下具有高效的催化产氢活性，科学家们期望通过对已知结构的氢化酶的活性中心进行化学模拟合成，然后再通过人工模拟体系再现自然界氢化酶的产氢过程 。 1.2 FeFe-氢化酶研究综述 2 1.2.1 FeFe-氢化酶简介 氢化酶是自然界厌氧微生物体内存在的一种 金属酶 ，它能够催化 氢气 的 氧化 或者质子的还原这一可逆化学反应 【 3】 即： H + + 2 e - H 2H y d r o g e n a s e s 根据氢化酶所含金属的不同可以分为三类： Fe Fe氢化酶， Ni Fe氢化酶和不含Fe S立方烷的氢化酶 【 4】 。 20世纪 90年代氢
11、化酶在晶体结构上得到了快速的发展： 1998 年， Peters 教授研究小组解析了从梭状芽胞杆菌 (Clostridia) 中得到的 FeFe-氢化酶的晶体结构 【 5】 。研究结果发现该氢化酶是由一个分子量约 60kDa 的多肽构成，其中约有由 20 个铁原子 (非血红素铁 ) 及对酸不稳定的硫原子组成的酶的氢簇 (H-cluster) 和三个 4Fe4S簇及一个2Fe2S簇。几乎与此同 Fontecilla-Camps 教授研究小组也解析了从另外一个细菌 (DesulfovibrioDesulfuricans) 中得到的 FeFe-氢化酶晶体结构 【 6】 。结构分析表明，除了一些细微的
12、差别，其所含的氢簇 (H-cluster) 与 Peters 小组的研究结果是一致的 【 7】 。氢簇 (H-cluster) 即为 FeFe-氢化酶的活性中心。它包含一个 2Fe2S单元和一个 4Fe4S立方烷，二者通过半胱氨酸支链上的 S 原子桥连在一起 【 8】 。氢簇 (H-cluster) 中与 4Fe4S立方烷相连的二核铁中心的端基铁原子上有一个活性配位点，这个配位点可以被外来的CO 配体占据而抑制酶的活性。氢化酶处于催化循环时，端基铁发生氧化还原，但与4Fe4S立方烷相连的铁原子始终保持低自旋的二价。氢簇 (H-cluster) 的 2Fe2S单元中，每个铁原子都有 CN-和 C
13、O 与其配位，这类配体对所有依赖血红蛋白传输氧的生物体有剧毒，在此之前从未在金属生物酶中发现这类 配体 【 9】 。在初期的研究中认为，与两个铁原子相互配位的两个硫原子之间的三个原子是 1,3-亚丙基 (-CH2CH2CH2-) 的结构 【 8】 。后来通过对 C 结构的测定和活性中心周围的蛋白质环境分析，认为三个原子为2-氮杂 -1,3-亚丙基结构 (-CH2NHCH2-) 的可能性更大 【 10】 。然而最近的研究表明，这三个原子应该为 2-氧杂 -1, 3-亚丙基 (-CH2OCH2-) 的结构 【 11】 。 FeFe-氢化酶活性中心的结构确定以后，对其活性中心的化学模拟工作已有大量的
14、研究和报道 【 12】 。模拟研究工作主要集中在 对活性中心的全合成、双硫 桥连配体结构的改造以及模型化合物中羰基取代和其电化学性质这几个方面。其 中具有代表性的研究小组的是美国的 Darensbourg教授研究组、 Rauchfusss教授研究组和英国的 Pickett教授研究组 【 13,14,15】 。 3 对于氢化酶催化质子的还原 /氢气的氧化的作用机制和催化循环机理目前主要是通过化学模拟方法在这方面展开研究 【 16】 。早在 1977 年， Poilblanc 等人发现 CO 配体很容易被膦配体取代，并且取代后的产物的金属一金属键能够发生质子化反应生成桥连金属氢化物 【 17】 。
15、 1999 年， Rauchfuss 等人报道了配合物 (-pdt)Fe2(CO)4(CN)22-在强酸作用下经质子化产生氢气，并得到不溶的金属聚合物 【 18】 。 2003 年，孙立成教授成功的将光敏剂基团引入到模型化合物中，并推测了其可能的产氢机理 【 19】 。生物体内 FeFe-氢化酶催化质子还原制氢的机理可能涉及金属氢化物 (M-H)和金属二氢化物 (M-H2)的形成，其中，金属氢化物 (M-H)又可以桥连金属氢化物 (bridging hydride)和端基金属氢化(terminalhydride)两种形式存在 【 20】 。为了证明 FeFe-氢化酶催化质子还原制氢过程中存在金
16、属氢化物的可能，科学家们展开了大量的工作 【 21】 。 2005 年，在低温下用 LiAlH4 还原桥连羰基配合物成功得到了末端 H 配位的桥连羰基二亚铁配合物。 IR、 1H NMR 和单晶衍射证实了末端 H 的形成。该配合物具有很高的催化活性，能催化 HOTf 产氢 【 22】 。2007年， Talarmin等人报道了在低温下用过量的（ HOEt2） BF4质子化二核铁 (I)配合物Fe2(-pdt)(CO)4(dppe)（ dppe Ph PCH CH PPh ） 成功地用 1H- 31P NMR检测到了近端和末梢铁氢化物的形成，并提出了端基铁氢化物形成的可能机理 【 23,24】
17、。 1.2.2 FeFe-氢化酶 活性中心的结构模拟 Peters 教授研究小组在 1988年解析了从梭状芽胞杆菌 (Clostridia) 中得到的 FeFe-氢化酶的晶体结构 【 25】 。从研究结果中，他们发现了该氢化酶是由一个分子量约 60kDa 的多肽构成，其中约有由 20 个铁原子 (非血红素铁 ) 及对酸不稳定的硫原子组成的酶的氢簇 (H-cluster) 和三个 4Fe4S簇及一个 2Fe2S簇。与此同时， Fontecilla-Camps 教授研究小组也解析了从另外一个细菌 (DesulfovibrioDesulfuricans) 中得到的 FeFe-氢化酶晶体结构 【 26
18、】 。经过对结构的分析表明，除了一些细微的差别，其所含的氢簇 (H-cluster) 与Peters 小组的研究结果是一致的。 氢簇 (H-cluster) 即为 FeFe-氢化酶的活性中心。它包含一个 2Fe2S单元和一个4Fe4S立方烷，二者通过半胱氨酸支链上的 S 原子桥连在一起 【 25】 (图 1.1)。 氢簇 (H-cluster) 中与 4Fe4S立方烷相连的二核铁中心的端基铁原子上有一个活性配位点，这个配位点可以被外来的 CO 配体占据而抑制酶的活性。氢化酶处于催化循环时，端基铁发生氧化还原，但与 4Fe4S立方烷相连的铁原子始终保持低自旋的二价 【 27】 。 氢簇 (H-c
19、luster) 的 2Fe2S单元中，每个铁原子都有 CN-和 CO 与其配位 【 26】 ，这类4 配体对所有依赖血红蛋白传输氧的生物体有剧毒，在此之前从未在金属生物酶中发现这类配体。在初期的研究中认为，与两个铁原子相互配位的两个硫原子之间的三个原 子是1,3-亚丙基 (-CH2CH2CH2-) 的结构 【 25， 26】 。后来通过对 C 结构的测定和活性中心周围的蛋白质环境分析，认为三个原子为 2-氮杂 -1,3-亚丙基结构 (-CH2NHCH2-) 的可能性更大 【 28】 。然而最近的研究表明，这三个原子应该为 2-氧杂 -1, 3-亚丙基 (-CH2OCH2-) 的结构 【 29】
20、 。 图 1.1 FeFe-氢化酶的 H-Cluster(左 )以及 2Fe2S活性中心结构 (右 ) 1.2.3 FeFe-氢化酶的催化循环机理 虽然人类早在 20 世纪 30 年代就已经认识到了氢化酶催化质子的还原 /氢气 的氧化的作用，但对其的作用机制和催化循环机理至今还没完全弄清楚。目前主 要是通过化学模拟和密度泛函理论 (DFT)的方法在这方面展开研究。而密度泛函 理论作为量子化学方法中的一种，用于研究金属酶的简单模型已经有了非常好 的 可靠性，并且能够很好的解释实验中的一些现象。迄今为止，比较完整的 FeFe 氢化酶的催化循环机理多数是通过密度泛函理论 (DFT)计算得出。 199
21、9 年， Vincent 等人通过研究含铼的化合物与 H2 和硅烷反应中观察到 的金属铼与 H2 的键合及 H2 异裂的现象，提出 FeFe-氢化酶可逆催化氢气的产生与消耗的可能机理，图 1.2。 5 图 1.2FeFe-氢化酶的可逆催化氢气的产生与消耗的可能机理 2001 年， Cao 和 Hall 报道了 FeFe-氢化酶模型化合物 (L)(CO)(CN)Fe(-PDT)(-CO)Fe(CO)(CN)(L)n 的理论计算结构和红外光谱振动频率。并在研究了其氧化还原态的基础上提出了 FeFe-氢化酶可能的催化循环机理，图 1.3。 6 图 1.3 Cao 等提出的 FeFe-氢化酶可能的催化
22、循环机理 随后， Hu 等人通过 DFT 计算与实验数值的比较，得到了比较详细的 FeFe-氢化酶二铁核单元各种氧化还原状态的理论模型。通过阐述这些氧化还原态的相互转化，也提出了 FeFe-氢化酶可能的催化循环机理，图 1.4。 此外，意大利的 Gioia 研究组对各种氢簇模型化合物的状态能量差做了大量的计算，从热力学角度得到了一条能量较低的氢氧化还原路径 ，图 1.5。 尽管科学家们通过 DFT 计算提出了多种 FeFe-氢化酶可能的催化循环机 理，但到目前为止，但还没一种机理能得到广泛地认可。因此，通过各种方法来 了解 FeFe-氢化酶的催化循环机理仍是目前研究 FeFe-氢化酶的重要方向。
