1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 含碱性基团的 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 本论文主要讨论了含碱性基团配体的合成及其与 (-S)2Fe2(CO)6的反应， 设计合成新颖的 FeFe-氢化酶二铁活性中心的模型化合物，通过对其光谱和电化学性质的研究，为进一步了解 FeFe-氢化酶催化机理提供了有益的参考。具体运用红外光谱 (IR)、紫外-可见光谱 (UV/Vis)、核磁共振 (NMR)方法表征相关的化合物。 主要工作包括以下 内容 ： 以 2,2-二羟甲基丙酸为起始原料合成中间体 化合
2、物 1、化合物 2及 目标配体 (L)并进行相关表征，以 Fe(CO)5为原料合成了 化合物 (-S)2Fe2(CO)6 (3)，最后尝试了在 LiEt3BH的帮助下由配体 L与化合物 3的反应合成 含碱 性基团的 FeFe-氢化酶 模型化合物。 关键词： 碱性基团配体， FeFe-氢化酶，模型化合物 II The synthesis and characterization of FeFe-hydrogenase model complex containing a base group ABSTRACT In this dissertation, we mainly discuss the
3、 synthesis of a ligand containing a base group and its reaction with (-S)2Fe2(CO)6. We describe the design and synthesis of a novel model complexes for the diiron subsite of FeFe-hydrogenase. These complexes are investigated spectroscopically and electrochemically, which may shed light on ones furth
4、er understanding of the catalytic mechanism of the FeFe-hydrogenase. All related compounds are characterised using infrared, UV/Vis and nuclear magnetic resonance techniques. It mainly comprises the following aspects: The Intermediate complexes of objective ligand,1 and 2 were synthesized with 2,2-
5、dimethylol propionic acid as the starting material and the associated complexe was characterised. The complexe（ 3） (-S)2Fe2(CO)6 was synthesized with the material Fe(CO)5 and characterised. Under the help of LiEt3BH,we finally tried to do the synthesis of FeFe-hydrogenase model compound containing a
6、 base group with the reaction of ligand (L) and compounds (3)(-S)2Fe2(CO)6. Keywords: Ligand containing a base group, FeFe-hydrogenase, Model compound 目录 1 绪论 . 1 1.1 研究背景 . 1 1.2 氢化酶概述 . 1 1.3 FeFe-氢化酶 . 2 1.3.1 活性中心的结构 . 2 1.3.2 催化循环机理 . 3 1.4 FeFe-氢化酶活性中心的化学模拟合成 . 4 1.4.1 2Fe2S模型化合物 . 4 1.4.2 含有杂
7、原子 (N, S, O)模型化合物的研究 . 6 1.4.3 含有光敏剂的模型化合物研究 . 8 1.4.4 2Fe3S模型化合物的研究进展 . 9 1.5 研究内容及意义 . 9 1.5.1 研究内容 . 9 1.5.2 研究意义 . 9 2 实验部分 . 11 2.1 仪器 和试剂 . 11 2.1.1 主要仪器 . 11 2.1.2 主要试剂及原料 . 11 2.2 实验的一般方法 . 12 2.2.1 试 剂的预处理 . 12 2.2.2 溶剂的预处理 . 12 2.2.3 红外光谱实验 . 12 2.3 实验步骤 . 13 2.3.1 化合物 1 的 合成： . 13 2.3.2 化
8、合物 2 的合成： . 13 2.3.3 配体 L 的合成： . 14 2.3.4 化合物 3 的合成： . 14 3 实 验结果与讨论 . 16 3.1 化合物 1 的合成 . 16 3.2 化合物 2 的合成 . 16 3.3 配体 L 的合成 . 18 3.4 化合物 3 的 合成 . 18 4 总结 . 19 参考文献 . 20 致谢 . 错误 !未定义书签。 1 1 绪论 1.1 研究背景 随着人类社会经济的迅猛发展，能源已经成为制约各个国家经济社会发展的一个重要因素。现 代世界经济的发展是建立在石油、煤炭、天然气等化石能源基础上的一种不可持续的经济发展模式。以目前的开采速度计算，全
9、球石油和天然气储量预计可供生产 50 年，煤炭储量大约可供生产 200 年。同时，伴随着化石能源的大量消耗而带来的环境污染问题和温室效应已经严重危险到人类赖以生存的自然环境。因此 ,为解决已迫在眉睫的能源危机和保护人类赖以生存的自然环境，新的清洁高效的能源载体的开发就成为全人类必须面对和解决的问题。 氢气具有燃烧热值高，无温室气体的产生及对环境无任何污染等优点，是未来理想的能源载体。 20 世纪 70 年代以来，越 来越多的国家和地区开展了氢能的研究。但是到目前为止，工业上制氢主要使用的是一些非常昂贵的贵金属制氢催化剂。这使得氢能的生产成本很高而难于被广泛应用。因此，研究廉价、高效的制氢催化剂
10、是实现氢能利用的关键。而自然界存在的一种金属氢化酶为人类制氢提供了一种可借鉴的模式。该这种金属酶内存于生物体内，是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。 1.2 氢化酶概述 氢化酶是 典型 的铁硫蛋白，它能可逆地催化氢质子的还原和氢气的氧化。 19世纪末，人们从池塘、河沟等厌氧环境中最初发现含氢化酶的微生物能够分解甲醛产生氢气和二氧化碳。 2
11、0世纪 30年代 ,英国科学家 Stephenson将微生物体内这种具有氢气代谢能力的酶命名为氢化酶。从 20世纪 40年代到 70年代，科学家们从不同的微生物体内分离出氢化酶，并用各种谱学进行结构的分析和表征。由于氢化酶是一种厌氧酶，其结晶结构的解析异2 常困难，因此 ，氢化酶活性中心的详细结构一直不很清楚。 20世纪 90年代至今，对氢化酶活性中心的化学模拟时代真正到来，该课题成为化学领域最前沿的研究方向。 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 1即 (如图 1.1） ： H + + 2 e - H 2H y d r
12、o g e n a s e s 图 1.1：氢化酶的生理功能 根据催化活性中心所含金属的不同，氢化酶可以分为三类：镍铁氢化酶(FeNi-Hydrogenase)、全（ 唯）铁氢化酶 (FeFe-Hydrogenase) 和不含铁硫立方烷氢化酶 (Fe-hydrogenase)2。晶体结构分析和红外光谱表明三种 氢化酶都含有配体 CO。其中全铁氢化酶的产氢活性是 Ni-Fe-氢化酶的 10-100倍，其催化氢气氧化的活性也更高。 近年来， Fe Fe氢化酶在晶体结构和催化质子还原制氢的机理研究上得到了快速的发展。 1.3 FeFe-氢化酶 1.3.1 活性中心的结构 1998年，美国科学家 Pe
13、ters研究小组从 Clostridium pasterurianum (CpI)中提取出了一种 FeFe-氢化酶蛋白，并得到了分辨率为 1.8的晶体结构 3如下图 1.2所示。一年后，Fontecilla等人从 Desulfovibrio desulfuricans (DdH)提取出了另一种 FeFe-氢化酶蛋白，也得到了其晶体结构，分辨率达到 1.64。通过晶体衍射分析发现从这两类不同生物体中得到的 FeFe-氢化酶具有非常相似的结构：活性中心均由一个 4Fe4S立方烷和非蛋白的二铁核单元组成。 图 1.2： FeFe-氢化酶晶体结构 3 氢化酶晶体结构的解析为模拟它们的活性中心提供了依据
14、。全铁氢化酶的活性中心为氢簇（ H-cluster），即含有一个 2Fe3S单元和一个 4Fe4S立方烷，二者由半胱氨酸支链上的 S桥联在 一起 5,6。 FeFe氢化酶的氢簇 H-cluster中的二核铁中心 2Fe3S，每个铁都有 CN-和 CO与其配位 7,8，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。与两个铁原子相互配位的二硫配体由 3个饱和的原子连接。最初认为连接 2Fe2S配体的 3个原子是 1,3-亚丙基 (-CH2CH2CH2-)结构 9,10，随着研究的日益深入，更倾向于认为：二硫间的桥为 2-氮杂 1,3-亚丙基 (-CH2NH
15、CH2-)结构 11,12。 1.3.2 催化循环机理 全铁氢 化酶的晶体结构发表后 ,对于其活性中心的 2Fe3S结构，许多化学家都进行了模拟合成，理论化学家对此结构进行了大量的计算。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。 图 1.3： 氢氧化还原假设机理及 2Fe2S的价态变化 4 氢簇的电子云密度变化取决于双 铁的价态变化 ， 从而决定氢
16、的还原和氧化。 Hall等人用甲巯基代替半胱氨酸，对简化模型进行了计算 ,提出氢的催化氧化还原机理。同时，该研究组还对 2-氮杂亚丙基的氮原子形成季铵离子模型进行了计算 ， 得到的氢的解离能最低 13。 Hu的计算也得出了类似的结果，并对各种状态的全铁氢化酶的红外谱峰进行了计算，对氢的氧化还原反应历程及铁的价态变化提出新的假设机理 (图 1.3)14。 Gioia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 1.4)15。 图 1.4： 氢 可能的活化成键途径及能量差 (kcal.mol-1) 由于双硫间桥的不完全确定性以及在化学模拟中羰
17、基取代的多样性，使得催化机理难以完全确定。虽然许多化学家对一些简化了的氢簇模型进行了大量的理论计算并提出了一些可能的催化产氢机理 16-19，但还没有一个能被普遍认同和接受的机理。这方面的工作有待进一步研究。 1.4 FeFe-氢化酶活性中心的化学模拟合成 1.4.1 2Fe2S模型化合物 研究初期，因为双硫桥连配体间桥连原子的不确定性，以及化学家们认为氢化酶氧化还原氢气的过程中双硫桥连配体间的桥连原子起着 非常重要的作用，所以有关双硫桥连配体的研究报道很多。研究主要集中在桥配体为 -SCH2CH2CH2S-(PDT) 或者5 -SCH2NRCH2S- (R= H or others)的结构上
18、。其中桥连配体为 -PDT的铁硫羰基配合物在 20多年前已有合成的报道 20,21 (图 1.5)。 图 1.5： Fe2(-PDT)(CO)6的合成 1999年， Rauchfuss， Pickett和 Darensburg等人几乎同时独立地报道了全铁氢化酶的二核铁中心的第一个模型化合物， (-SCH2CH2CH2S)Fe2(CO)4(CN)22-(图 1.6)22,23,24。 图 1.6： 第一个模型化合物的结构 孙立成教授与 Akermark教授的研究小组合成了一系列含有额外功能团的新型双硫桥铁羰基衍生物，并对相应的模型化合物的催化产氢机理作了研究，如他们合成出了一双硫桥上通过羧酸连有
19、苯环的模拟配合物 （图 1.7） 25。 6 图 1.7： 含有羧酸苯环的模型化合物的合成 全铁氢化酶中的 2Fe2S簇中与铁原子配位的配体除了羰基外 ,还包括具有供电子性能的氰根以及以硫原子与铁配位的 半胱氨酸残基配体。具有供电子性能的配体 (如氰根、有机膦配体等 )通过对铁上羰基配体的取代可以提高 FeI-FeI的电子密度，使得 FeI-FeI的碱性增加，更容易质子化即更有利于质子的催化还原。因此进行全铁氢化酶活性中心的羰基被富电子基团配体的取代研究是全铁氢化酶化学模拟的一个重要的方面，其中包括氰基取代膦取代异氰基取代和烃硫基取代 26-28等。 (-PDT)Fe2(CO)6和 Et4NC
20、N在乙腈 / 甲 醇 溶 液 中 进 行 配 体 的 置 换 反 应 ， 就 可 以 得 到 双 氰 基 取 代 产 物Et4N(-PDT)Fe2(CO)4CN2。为了进一步研究双取代的氰基化合物的氧化还原性质，Rauchfuss研究组在 -40 的条件下分别用一和四当量的 PMe3和两当量的 Et4NCN反应合成了两种氰基配体在不同位置取代羰基的化合物，并且对其进行了 X-射线单晶测定 29。结构测定表明存在如图 1.8所示的两种异构体： 图 1.8： 用 PMe3取代了的模型化合物 1.4.2 含有杂原子 (N, S, O)模型化合物的研究 基于连接双硫桥配体的可能是 2-氮杂 -1,3-
21、亚丙基 (-CH2NHCH2-)的考虑， Rauchfuss研究小组首次采用多聚甲醛和伯胺与 Fe2(SLi)2(CO)6反应，在温和条件下合成了第二代氢化酶模型二铁氮杂硫醇盐 (-ADT)Fe2(CO)6 (ADT=-CH2NRCH2-, R = H, t-Bu, Ph, CH3, etc.)30-33，开辟了新的化学模拟氢化酶的合成途径。图 1.9给出了二铁氮杂硫醇盐的三种合成方法，通过改变氮杂原子的取代基团，可以合成得到不同取代基团的氮杂硫醇盐。 利用相同的方法 ,宋礼成等人合成了氧杂桥连的 2Fe2S 羰基配合物(-CH2OCH2)Fe2(CO)6及双氰基取代配合物 (-CH2OCH2)Fe2(CO)4(CN)22- 34,35，图1.10。
