1、毕业论文 开题报告 环境工程 含碱性基团的 FeFe氢化酶模型化合物的合成和表征 一、选题的背景、意义 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。
2、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
3、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。 二、相关研究的最新成果及动态 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） ： H + + 2 e - H 2H y d r o g e n a s e s 图 1：氢化酶的生理功能 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 2。 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： 1998 年，美国科学家 P
4、eters 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 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 2： FeFe-氢化酶晶体结构 1998, 1999 年先后两类取自不同细菌的 F
5、eFe-氢化酶晶体结构的完全解析为化学模拟合成其活性中心提供了清楚的结构模型。随后至今的十年期间，生物无机化学家们对 FeFe-氢化酶活性中心的模拟开展了大量的工作，并取得了很大的进展。 1999 年， Daresbourg、 Rauchfuss 和 Pickett 三个独立的研究小组几乎在同一时间分别报道了第一代 FeFe-氢化酶 2Fe2S模型化合物(-pdt)Fe2(CO)4(CN)22-的合成 5。 Rauchfuss研究小组实现了在温和条件下合成二铁氮杂硫醇盐 6，开辟了新的化学模拟氢化酶的合成途径。 宋礼成等人也合成了氧杂桥联的 2Fe2S羰基化合物及双氰基取代配合物 7。 200
6、1 年， Pickett 等人首次合成了具有 2Fe3S的铁羰基配合物化酶的活性中心极其相似 8。 2005 年， Pickett 研究组在合成 2Fe3S模型化合物的基础上，创造性地把连有 4Fe4S 单元的化合物成功地接到 2Fe3S模型化合物中，最大程度地模拟了全铁氢化酶活性中心 9。这也是迄今为止发表的第一个对全铁氢化酶活性中心进行全合成的模型化合物，为研制有使用价值的绿色可逆制氢催化剂提出了新的希望。 尽管人类早在 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 (
7、DFT)的方法在这 方面展开研究。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 10。 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 11。 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 12。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- 2H )的形成，其中，金属氢化物 (M-H)又可以桥
8、连金属氢化物 (bridging hydride)和端基金属氢化(terminalhydride)两种形式存在。为了证明 FeFe-氢化酶催化质子还原制氢过程中存在金属氢化物的可能，科学家们展开了大量的工作。 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13。 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。 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
9、 Ph2PCH2CH2PPh2） 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 14。 三、 课题的研究内容及拟采取的研究方案（技术路线）、研究特点及预期达到的目标 1、研究内容： 本课题以 2,2-二羟甲基丙酸为起始原料合成中间体化合物 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。 2、 研究方案： 图 3：含 N碱
10、性基团的 FeFe氢化酶模型化合物合成路线 配体 L的合成：以 2,2-二（羟甲基）丙酸为原料，四氢呋喃作溶剂，搅拌至其完全溶解。以 N,N 二甲基甲酰胺为催化剂，冰浴下加入 10ml二氯亚砜。恢复室温反应 4小时，再在 63 加热回流装置 7-8个小时，将羟基转化 为易离去的卤素官能团；在溶剂四氢呋喃与三乙胺中，冰浴搅拌条件下加入苯胺试剂引入苯胺基团后用快速柱色谱分离，再经多次重结晶纯化，产率约 20-50%，并用核磁共振法将该产物进行表征与分析；最后在四氢铝锂条件下还原转化成所需配合物。 化合物 3的合成：加入氢氧化钾和水，再运用甲醇溶解后，通入氮气保护。10min后向当中缓慢滴加羰基铁，
11、氮气保护下避光反应 30min。反应结束后将反应液冷却至 0 ，将硫缓慢加入其中，氮气保护避光条件下反应 1h后，加入水，石油醚及氯化铵。撤去冰浴，室温下避光搅拌使其溶解。 分出红色有机相，水相用石油醚萃取几次，合并有机相再用水反萃一次。在28 下抽干大部分溶剂，放入冰箱，析出红色固体 PE，确定产物。通过红外光谱法对该产物进行表征与分析。 最后 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。 3、 研究特点： 通过 酰氯与带不同位阻和供电子能力基团的伯胺或者仲胺反应，将配体引入含 N 碱基；最后合成的 目标化合物中涉及 Fe N 键的
12、形成。 4、预期达到的目标： 合成新颖的具有可配位碱性基团的 FeFe-氢 化酶二铁活性中心的模型化合物，研究并建立模型化合物的碱性基团的空间位阻 /电子效应 /碱性强度与模型化合物的质子催化还原之间的构效关系。 四、论文详细工作进度和安排 2010.09-2010.11：完成师生互选工作，定下课题题目，由指导老师下达任务，学生做好准备工作； 2010.11-2010.12：学生根据课题内容检索、查阅、收集相关资料，进行充分的课题调研； 2010.12：完成与论文相关的外文文献翻译，完成文献综述，准备开题报告； 2010.12-2011.01：完成开题答辩，并开始进入实验室开展 实验； 201
13、1.01-2011.05：实验阶段； 2011.05-2011.06：整理实验数据，完成毕业论文，做好修改、定稿工作，答辩毕业。 五、 主要参考文献 1.徐芬芬 , 全铁氢化酶中二核铁活性中心的模拟 硕士论文 . 南昌大学 , 2007. 2.Antonio L.De Lacey and Victor M Femandez Chem Rev.2007.107,4340 4330. 3.Peters J W, Lanzilotta W N , Lemon B J , et al . Science , 1998 ,282 : 1853 1858. 4.Nicolet Y, Piras C , L
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