固氮酶活性中心模型和铁钼辅基模拟体合成的研究进展

前阶段(1973—1976),我校蔡启瑞教授以固氮酶的十来种底物作为化学探针,并根据络合催化原理,直接推断N≡N,n—R—C≡N,n—R—N≡C,n—R—C≡CH等固氮酶的底物分子是按μ_3(η~2)方式配位络合在三核活性中心上的(但从当时已知的科学实验,尚未能确断活性中心究竟含一个或两个钼),并进一步推断两个这样的三核活性中心通过共用钼而骈联在一起,成为骈联双座的结构,从而提出了第一个立方烷原子簇结构的固氮酶活性中心模型。1977—1978年,又进行了两次演进,于1978年7月首先提出钼上不含有机硫配位体的骈联双座双立方烷的固氮酶活性中心模型,即“厦门模—Ⅲ型”[S Fe_3S_2(L)]Mo[(L′)S_2Fe_3S]。其中L和L′代表两个活动的配位体。这模型能较好地说明许多实验事实,并为合成铁钼辅基模拟体指出了方向(上述这一模型和“厦门模型—Ⅱ”、“福州模型—Ⅱ”的关系,详见文献[2]b和[3])。     

固氨酶活性中心模型的演进和酶催化机理

本文提出固氮酶活性中心的骈联双座双立方烷原子簇结构的活性中心模型,[S~*Fe_3S_2~*(L)]Mo[(L’)S_2~*Fe_3S~*],其中L和L’代表两个可以移开的配位体,如N_2,-H,或-NH_3。这个模型是前阶段先后提出的骈联双座单立方烷原子簇结构模型,Fe_2S_2~*·Mo_2O_2,和骈联双座三立方烷原子簇结构模型,Fe_2S_c~*(L)(L’)Mo_2[S_3~*Fe_3S~*]_2,的又一次演进。这三个模型所共有的骈联双座原子簇结构特征和三核络合固氮方式,主要都是以固氮酶己知反应的十来种底物和抑制剂CO作为化学探针并应用络合催化原理而推断出来的。至于钼离子的价态和周围微环境,以及三核究竟是两钼一铁还是一钼两铁,则是参考最近国际上关于固氮酶的科学实验新成就而作出相应的修正和演进的。骈联双座双立方烷原子簇结构(含单钼)比较符合Orme-Johson和Munck等的顺磁共振和穆斯鲍尔谱实验结果,能说明比较多的实验事实。本文还扼要地讨论了固氮酶反应中ATP驱动的电子和质子传递机理。     

关于固氮酶的作用机理和活性中心結構

本文根据固氮酶已知的反应和络合催化原理,讨论了固氮酶的作用机理和活性中心结构;提出了由Fe_2S_2·Mo_2O_2原子簇构成的两个偶联在一起的两钼一铁三核活性中心(2 Mo—1 Fe)的看法;这两个偶联的三核活性中心也是放氢的活性中心.根据这活性中心模型,说明了各种底物分子的还原反应机理和CO只抑制分子氮、炔类、腈类、异腈类等6π-配位体型的底物分子的还原反应,而不抑制放氢反应的原因,以及ATP的作用机理和ATP/2比值与电子倒流的关系.     

四核链型M—Fe—S（M=Mo,W）原子簇化合物的成键特征

用MAD—SCC—EHMO法计算了3个4核链型M—Fe—S(M=Mo,W)原子簇化合物[Fe_2S_2(MoS_4)_2]~(4-)、[Fe_2S_2(MoS_2O_2)_2]~(4-)和[Fe_2S_2(WS_4)_2]~(4-)的电子结构,根据计算所得的分子轨道能级、轨道特征和Mulliken约化重叠集居等数据,对其成键性质进行了分析。指出了在簇合物的成簇过程中,由于电子从Fe原子转移到M原子,使得簇合物中M的表观氧化态低于碎片M_2S_2X_2~(2-)中M的表观氧化态,本文还根据Mulliken约化重叠集居和电荷密度变化的分析,给出簇合物电子的离域性顺序([Fe_2S_2(MoS_4)_2]~(4-)>[Fe_2S_2(MOS_2O_2)_2]~(4-)>[Fe_2S_2(WS_4)_2]~(4-))。     

化学模拟生物固氮——Ⅶ.乙炔选择性还原成乙烯作为原子簇活性中心多核络合活化底物的一种判据

系统地比较了FeMo-co和固氮酶的各种模拟体系在KBH_4还原乙炔为乙烯的反应中的催化活性和选择性。FeMo-co(活性:转变数为34;选择性:99％C_2H_4)和本实验室合成的模型化合物(活性:转变数为20～30;选择性;91～95％)比其它固氮酶的模拟体系(MoO_4~(2-)-CySH;MoO_4~(2-)—CySH—Fe~(2 );MoOS_4~(2-)—胰岛素;[Fe_4S_4(SCH_2Φ)_4]~(2-);和MoS_4~(2-))具有较高的活性和选择性;这可作为FeMo—co及其合成模拟物的原子簇活性中心多核络合活化底物分子的一种判据.     

用于褐煤加氢裂解的铁硫化物催化剂结构与电子态的理论研究

采用9种DFT方法搭配7种基组对FeS0/-、FeS_20/-、Fe_2S_20/-、Fe_3S_40/-和Fe_4S_40/-进行了系统的研究。通过对比,发现B3LYP和B3PW91搭配6-311+G*和QZVP基组计算的绝热电子亲和能(AEA)与实验值吻合的很好。采用B3LYP/6-311+G*计算了,确定了以上各团簇结构的基态电子态;发现其中,Fe_2S_2、Fe_3S_4、Fe_3S_4~-、Fe_4S_4和Fe_4S_4~-具有反铁磁性。同时用自然价键轨道理论(NBO)对团簇的磁性进行了分析。     

磁性Fe3O4/In2S3可见光催化剂的制备及其性能

采用简单的油浴法制备出磁性Fe_3O_4/In_2S_3可见光催化剂,利用XRD、SEM、FTIR、BET、UV-Vis DRS以及磁滞回线等手段对其进行表征,以可见光(λ≥420 nm)为光源,以罗丹明B的光催化降解为模型反应,考察不同Fe_3O_4/In_2S_3复合比的磁性Fe_3O_4/In_2S_3可见光催化剂的催化性能及循环使用性能.结果表明,当物质的量n(Fe_3O_4)与n(In_2S_3)之比为6∶5时制备的磁性Fe_3O_4/In_2S_3可见光催化剂具有最好的光催化活性.光照90 min后,罗丹明B的降解率高达96%;磁性Fe_3O_4/In_2S_3可见光催化剂的饱和磁化强度达10.31 A·m2·kg-1,在外加磁场作用下,5 s内可以快速从水相中分离,具有良好的磁分离效果;样品经3次循环使用后其催化活性基本保持不变.     

固氮酶反应中ATP驱动电子传递的化学模拟——Ⅰ.[Fe_4S_4(SR)_4]~(2-)原子簇与ATP络合的极谱及电子吸收光谱的研究

将ATP加到[Fe_4S_4(SPh)_4]~(2-)的DMF-H_2O溶液中,引起[Fe_4S_4(SPh)_4]~(2-)原子簇的氧化还原电位从-1.00±0.01伏移至-1.49±0.01伏,负移490mV左右;使[Fe_4S_4(SPh)_4]~(2-)原子簇的电子吸收光谱特征吸收强度明显降低;同时加速[Fe_4S_4(SPh)_4]~(2-)与亚甲蓝的氧化还原反应,这种加速效应比ADP明显,而ADP又比AMP明显得多。根据这些实验事实,可以认为ATP能以末端的γ-PO_4基团,或γPO_4和β-PO_4基团与[Fe_4S_4(SPh)_4]~(2-)原子簇络合或螯合,引起后者的配位场增大,提高电子的输出能力。本文还讨论了ATP与[Fe_4S_4SPh)_4]~(2-)原子簇的络合方式,进而探讨了ATP在固氮酶中的结合部位和作用机理。     

酶催化与非酶催化固氮成氨

讨论了共边双立方烷原子簇结构的固氮酶活性中心模型和固氮酶大多数底物μ_5-(η~2)型的络合方式。设计了合成FeMo co模型化合物的方法,重复性较好地得到FeMo co模型化合物粗结晶样品,这种样品具有所预期的Mo:Fe:S~*:Cl元素比、较高的催化活性和选择性,以及一定的组合固氮酶活性(约为FeMo co重组活性的3-6％)。根据这个模型,较圆满地阐明十多种底物的酶促反应机理,包括统一地解释了N_2,Ar,CO或CN~-四者分别存在下的酶促放H_2机理。根据实验和文献资料,提出比较精细的二步ATP驱动的电子传递机理,能说明Mortenson等观察到的ATP/2e比值随ATP/ADP比值变化的情况。扼要讨论了氨合成铁催化剂的原子簇活性中心本质,N_2化学吸附的可能模式,以及在铁催化剂上氨合成缔合式机理的一些论据。指出了固氮酶与铁催化剂在配位络合和催化作用的密切关系。     

固氮酶固氮活性中心模型物中硫的微量测定

人工合成的固氮酶固氮活性中心模型化合物中硫的准确含量是对于判断该化合物属于何种结构模型极为重要的数据之一。 最通用的Schoniger氧瓶测硫法用于测定有机金属化合物中微量硫遇到下述困难:燃烧后用钡盐溶液滴定硫酸根时,金属元素干扰指示剂终点;碱土金属与硫酸根离     

花生根瘤菌在自生条件下固氮和吸氢相关性

花生根瘤菌x_(-1)菌株在自生条件下和合适的培养基中,可诱导固氮酶及氢酶的活性,固氮酶反应产生的H_2(内源H_2)能直接诱导氢酶,氢酶活性表达的时间进程是在固氮反应之后,在外源H_2的存在下,固氮酶和氢酶则可同时表达,不同有机碳化合物对固氮酶与氢酶的影响不同,丙酮酸明显提高固氮活性,但对氨酶没有促进作用,蔗糖对固氮活性没有促进作用但对吸氢表现促进作用,分子H_2明显提高固氮活性,2.4-二硝基苯酚抑制需H_2的固氮活性,在外源H_2存在下其抑制作用更明显,铵抑制固氮酶的形成、固氮酶受铵抑制时氢酶也相应受到抑制。     

煤直接液化中Fe_7S_8催化剂结构及催化性能研究

为了研究不同方法制备的Fe_7S_8催化剂的煤直接液化性能与其结构的关系,分别采用焙烧法和溶剂热法制备了不同晶体结构的Fe_7S_8.通过催化剂的表征分析(XRD、Raman、SEM)和液化性能评价结果发现,焙烧法、溶剂热法分别制备出了以单斜晶系(Fe_7S_8-B)和六方晶系(Fe_7S_8-R)为主的催化剂,两种催化剂作用下的液化油收率分别为15.84%、36.18%,转化率为67.97%、70.94%,表明溶剂热法是比较适合制备煤直接液化催化剂的方法。结合液化产物的元素分析、Fe_7S_8-R的热重-差热分析(TG-DTA)、原位拉曼(In Situ Raman)及X射线衍射(XRD)的结果发现,液化过程中催化剂起到活化氢气产生活性氢和调节产物中氢、氧元素分布的作用,Fe_7S_8-R在液化过程中随温度和气氛的改变逐渐生成液化反应活性相Fe_(1-x)S.     

化学模拟生物固氮——ⅩⅣ EHMO法研究环丙烯等固氮酶底物的μ_3η~2型络合方式和分子氮还原加氢中间态

迄今所知的固氮酶十来种底物中,除极少数例外,大多数都是末端具有三重键(或环丙烯型的准三重键)的小分子。从这些底物的已知酶促反应和在固氨酶活性中心的相对配位亲合力,我们曾推断这些底物分子很可能是以相同的μ_3(η~2)型方式络合在固氮酶活性中心上的,并在此基础上提出了并联双座双立方烷型原子簇结构的活性中心模型。同时指出,对于那些末端有三重键但无“尾巴”的底物分子,如N≡N,C≡N~-,和HC≡CH,在三核活性中心(1Mo—2Fe)进行μ_3(η~2)型络合,有两种可能的方式即双端基加单侧基型络合和单端基加双侧基络合。本文报导了EHMO近似计算和定性的分子轨道讨论结果。结果表明:在环丙烯情况下,双(准)端基加单侧基型络合比单(准)端基加双侧基型络合在能量上要有利得多,而且它的络合键能相当大;在N≡N和HN≡C(假想的异氢腈酸)情况下,双端基(或准端基)加单侧基型络合比单端基加双侧基型络合在能量上亦较为有利;乙炔的情况也是这样,但两种络合方式的络合键能之差比较小。这些结果与下述的实验事实是一致的:环丙烯是固氮酶的底物,而且是N≡N酶促还原加氢的强竞争性抑制剂;两种按μ_3(η~2)型方式络合的炔烃过渡金属原子簇络合物都已发现。环丙烯和N≡N在三核活性中心的双端基(或准端基)加单侧基型络合也能较     

固氮酶反应中铁蛋白与MgATP配位的化学模拟

以[Fe_4S_4(SCH_2Ph)_4]~(-2)作为氧化态铁蛋白4Fe-4S中心的模型化合物,化学模拟研究表明,ATP能与[Fe_4S_4(SCH_2Ph)_4]~(-2)原子簇结合,促进原子簇与亚甲蓝之间的氧化还原反应速率,并敏化原子簇中的Fe(Ⅱ),使其易与亚铁螯合剂反应,用正庚烧作萃取刑,在原子簇-ATP体系没有检测到游离的HSCH_2Ph,ATP没有置换原子簇中的—SCH_2Ph,这表明作为电子活化剂的ATP可能通过其磷酸根与Fe_4S_4原子簇结合。     

含桥联配体的双核铁羰基簇合物的合成和结构研究

Fe_3(CO)_(12)与亚磷酸三硫代苯酯P(SC_6H_5)_3在温和条件下反应给出三个具有桥联原子的双核铁羰基簇合物(μ-SC_6H_5)_2Fe_2(CO)_5,(μ-SC_6H_5)(μ-P(SC_6H_5)_2)Fe_2(CO)_5和(μ-SC_6H_5)(μ-P(SC_6H_5)_2))Fe_2(CO)_5(P(SC_6H_5)_3).本文对这三个簇合物进行了IR,~1HNMR和MS谱的表征工作,并用z-ray衍射技术测定了它们的单晶结构.     

常见的几种固氮蓝藻

固氮蓝藻(Nitrogen-fixing Cyanophyta)是一种低等藻类植物。在植物体内具有的固氮酶,能将空气中游离态氮素转变为氮素化合物,供农作物吸收和利用。对固氮蓝藻的研究是从1889年弗兰克(Frank)开始提出的。其实,1873年斯特拉巴尔盖(Strasbnrger)就曾提到与满江红相共生的固氮鱼腥藻的固氮作用。1928年德鲁斯(Drewes)证明了某些蓝藻有固氮能力。1939年印度学者弟(De)和苏来曼(Sulamn 1950)证明了固氮蓝藻放在水稻田中,由于固定了空气中的氮,增加了土壤的氮肥,使水稻增产。1944年以后渡道笃等经过多年的研究,证明了在水稻田内放养固氮蓝藻后,土质变肥,     

磷对红萍氮化合物和核酸的影响

许多学者对生物体的氮代谢进行了研究.Jone(1936)及罗宗雅等(1963)研究了磷对小麦氮代谢的影响;Breon(1944)研究了磷对番茄氮代谢的影响,均发现磷对非固氮生物的氮代谢有明显的影响.Mahl、M、C(1960)及Masayuki Ohmori(1974)研究了氨对固氮生物固氮活性的作用,发现氨离子能抑制Klebsiellapneumoniae及Anabaena cylindrica的固氮酶的活性,影响含氮化合物的变化.本试验以共生固氮生物——红萍(Azolla imbricata Nabai)为材料,在有No_3~-的培养基中,研究磷对红萍的氮化合物及核酸的影响,以探讨共生固氮生物磷氮代谢的关系及以磷增氮的作用机制.     

[Et4N]2[Fe2S2（Sph）4]的晶体结构

[Et_4N]_3[Fe_1S_2(Sph)_4]的合成与晶体结构已有报道,本文给出从金刚烷铁硫簇Fe_4(Sph)_(10)作为起始裂解原料,合成得到[Et_4N]_2[Fe_2S_2(Sph)_4]的单斜晶相的结构。从反应后的乙腈溶液得到片状黑色晶体,选取0.3×0.3×0.1mm~3的单晶在氮气氛     

含硫和氮杂环以卡宾配位的三核铁羰基簇合物的合成与结构

Fe_3(co)_(12)与杂环硫代酰胺SL反应.除生成Fe_2(co)_6(μ—s)_2和Fe_3(co)_9(μ_3—s)_2之外,还产生具有卡宾碳配位的新簇合物Fe_3(co)_8(μ_3—s)_2L(L=:CNH(CH_2)_2NH,:CNH(CH_2)_2S和:CNH(CH_2)_3S)Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ,含硫和氮杂环卡宾配位的金属卡宾簇合物属首次报道。对Ⅰ—Ⅲ进行了红外。质子核磁共振和质谱的表征工作。     

固氮酶活性中心的结构和反应机理

1973年以来,各国许多学者提出了各自不同的固氮醇活化模型和作用机理。但都是考虑Mo原子既是吸附分子氮的中心,又是还原氮的中心。他们的设想主要建立在模型化合物体系还原氮成功的基础上。我们分析了Mo在固氮酶中价态,根据实验结果推测应为Mo(111)。从配位化合物取代反应理论考虑,Mo(111)为惰性反应。不宜作活化氮吸附中心。此外,我们又分析了固氮酶和钼铁硫簇化合物的许多性质。提出固氮酶催化还原底物应有双中心机理协同完成。一个是由二个Fe原子组成的吸附N_2中心,另一个是钼铁硫原子簇组成的电子还原中心。讨论了反应速率的决定步骤是电子传送。对固氮酶中Fe作底物吸附中心的可能性罗列了大量实验结果进行论证。并讨论了氮分子在二个Fe之间η_2吸附方式对活化氮最有利。用双中心机理顺利地解释了固氮酶的各种反应性。