1、毕业论文 开题报告 环境工程 含吡啶基团的 FeFe-氢化酶模型化合物的合成和表征 一、选题的背景、意义 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；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
2、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
3、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 (NiFe-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methenyltetrahydrometh
4、anopterin(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。 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 【 3】 即
5、： 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 2
6、Fe2S簇。几乎与此同时 ，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 【 6】 。结构分析表明，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 【 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
7、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 CO 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 (-C
8、H2NHCH2-) 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】 。 对于氢化酶催化质子的还原 /氢气的氧化的作用机制
9、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】 。 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
10、(M- 2H )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（ HOEt
11、2） BF4质子化二核铁 (I)配合物 Fe2（ -pdt） (CO) （ 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】 。 三、课题的研究内容及拟采取的研究方案（技术路线）、研究难点及预期达到的目标 I 研究内容： (1) 设计具有不同碱性基团和空间位阻的配体，通过多步反应合成系列含 N 官能团的二硫醇配体； (2) 利用所合成的二硫醇配体与 Fe3(CO)12 反应合成系列含 N 配位的 FeFe-氢化酶模型化合物，利用 UV, IR, NMR, X-ray,
12、 M.ssbauer 等检测手段对模型化合物进行表征； (3) 2, 2-二（硫醇甲基）丙胺的合成； (4) 含碱基 N配位的 FeFe-氢化酶模型化合物都合成； (5) FeFe-氢化酶模型化合物的表征和初步性质研究。 II 研究方案： 本项目拟合成系列具有不同碱性基团和空间位阻的 FeFe-氢化酶模型化合物，详细研究含 N 配体的碱性、空间位阻对 N 配位的影响，以及对质子传递途径的影响，用循 环伏安法研究模型化合物的氧化还原电化学以及催化质子还原电化学。实施方案设计如下： 第一部分 ： 配体的合成 按照图 1 所示的路线合成含 N 碱基的二硫醇配体：以 2,2-二（羟甲基）丙酸（ CAS
13、： 4767-03-7）为原料，在 HX 水溶液中共沸几个小时，将羟基转化为易离去的卤素官能团；在极性溶剂中如甲醇或者乙腈中，碱性条件下用 KSAc 作为亲核试剂引入 SAc 基团后，再在碱性条件下转化成二硫醇化合物，利用 DMSO 作为弱氧化剂制备 S S 键保护的二硫杂环戊酸。所得到的二硫杂环戊酸产物用草酰氯 (COCl)2或其他卤化试剂将把羧 酸官能化转化成酰氯，与带不同位阻和供电子能力基团的伯胺或者仲胺反应，引入含 N 基团；最后将化合物还原即得到目标配体。合成反应示例： 图 1：含 N 碱性基团的二硫醇配体合成路线 第二部分： FeFe-氢化酶模型化合物的合成及结构表征 FeFe-氢
14、化酶模型化合物的合成安装图 4 所示路线合成，其中十二羰基三铁的合成参照文献。 19 合成示例：在氩气保护下用导管将含 N 碱基的二硫醇配体 L的甲苯或四氢呋喃溶液加入到装有 Fe3(CO)12的 Schlenk瓶中，反应液于 110 加热回流 24 h。趁热减压除去溶 剂，所得残渣用柱色谱分离后再经多次重结晶纯化。产率约 2050%。 III 研究特点： 设计具有不同碱性基团和空间位阻的配体，需要通过多步反应才能合成系列含 N 官能团的二硫醇配体， 目标 化合 物中 涉及 Fe N 键 的 形成 。 IV 预期达到的目标： 合成新颖的具有嘧啶基团的 FeFe-氢化酶二铁活性中心的模型化合物，
15、这些碱性基团具有不同的空间位阻 /电子效应 /碱性强度。 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； 2011.01-2011.05：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. J.
16、 W. Peters, W. N. Lanzilotta, B. J. Lemon and L. C. Seefeldt, Science, 1998, 282, 1853-1858. 2. Y. Nicolet, C. Piras, P. Legrand, C. E. Hatchikian and J. C. Fontecilla-Camps, Structure, 1999, 7, 13-23. 3. D. J. Evans and C. J. Pickett, Chem. Soc. Rev., 2003, 32, 268-275. 4. X. M. Liu, S. K. Ibrahim,
17、 C. Tard and C. J. Pickett, Coord. Chem. Rev., 2005, 249, 1641-1652. 5. C. Tard, X. M. Liu, S. K. Ibrahim, M. Bruschi, L. De Gioia, S. C. Davies, X. Yang, L. S. Wang, G. Sawers and C. J. Pickett, Nature, 2005, 433, 610-613. 6. C. Tard and C. J. Pickett, Chem. Rev., 2009, 109, 2245-2274. 7. N. Wang,
18、M. Wang, T. T. Zhang, P. Li, J. H. Liu and L. C. Sun, Chem. Commun., 2008, 5800-5802. 8. W. B. Dong, M. Wang, X. Y. Liu, K. Jin, G. H. Li, F. J. Wang and L. C. Sun, Chem. Commun., 2006, 305-307. 9. F. J. Wang, M. Wang, X. Y. Liu, K. Jin, W. B. Dong, G. H. Li, B. Akermark and L. C. Sun, Chem. Commun.
19、, 2005, 3221-3223. 10. S. Ott, M. Kritikos, B. Akermark, L. C. Sun and R. Lomoth, Angew. Chem. Int. Ed., 2004, 43, 1006-1009. 11. L. Schwartz, L. Eriksson, R. Lomoth, F. Teixidor, C. Vinas and S. Ott, Dalton Trans., 2008, 2379-2381. 12. G. Eilers, L. Schwartz, M. Stein, G. Zampella, L. de Gioia, S.
20、Ott and R. Lomoth, Chem. Eur. J., 2007, 13, 7075-7084. 13. L. Schwartz, G. Eilers, L. Eriksson, A. Gogoll, R. Lomoth and S. Ott, Chem. Commun., 2006, 520-522. 14. S. Ezzaher, J. F. Capon, F. Gloaguen, F. Y. Petillon, P. Schollhammer, J. Talarmin and N. Kervarec, Inorg. Chem., 2009, 48, 2-4. 15. X. Z
21、hao, I. P. Georgakaki, M. L. Miller, J. C. Yarbrough and M. Y. Darensbourg, J. Am. Chem. Soc., 2001, 123, 9710-9711. 16. B. E. Barton and T. B. Rauchfuss, Inorg. Chem., 2008, 47, 2261-2263. 17. F. F. Xu, C. Tard, X. F. Wang, S. K. Ibrahim, D. L. Hughes, W. Zhong, X. R. Zeng, Q. Y. Luo, X. M. Liu and
22、 C. J. Pickett, Chem. Commun., 2008, 606-608. 18. United States Pat., US2010086502 (A1) 2010. 19. W. Hieber and F. Leutert, Z. Anorg. Allg. Chem., 1932, 204, 145-164. 20. Z. Y. Xiao, F. F. Xu, L. Long, Y. Q. Liu, G. Zampella, L. De Gioia, X. R. Zeng, Q. Y. Luo and X. M. Liu, J. Organomet. Chem., 201
23、0, 695, 721-729. 21. D. H. Evans, Chem. Rev., 2008, 108, 2113-2144. 22. J. F. Capon, F. Gloaguen, F. Y. Petillon, P. Schollhammer and J. Talarmin, Coord. Chem. Rev., 2009, 253, 1476-1494. 23. J. F. Capon, F. Gloaguen, P. Schollhammer and J. Talarmin, Coord. Chem. Rev., 2005, 249, 1664-1676. 24. S. J. Borg, T. Behrsing, S. P. Best, M. Razavet, X. M. Liu and C. J. Pickett, J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 16988-16999. 25. 肖志音 , FeFe-氢化酶二铁活性中心的化学模拟 硕士论文 . 南昌大学 , 2010. 26. 王彦伟 , FeFe-氢化酶模型化合物的合成、表征及其质子化与电化学性质 研究 硕士论文 . 南昌大学 , 2008. 27. 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.
