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。     

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     

固氮酶固氮活性中心模型物的探索合成

关于固氮酶固氮活性中心的结构问题,我国化学家先后提出过具有独特见解的“福州模型”(M Fe_8S_7)和由“厦门模型”修订而成的“综合模型”(M_oFe_6S_6L_2)。“福州模型”和“综合模型”有某些共同的观点,即认为:固氮酶在固氮反应时必须具有鸟窝开口式网兜状基本结构单元作为活性中心,而且具有M Fe_6S_6孪合重烷体的基本骨架。这种学术见解亟待化学合成予以验证。遗憾的是,这类钼铁混合簇孪合型重     

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.     

化学探针方法研究固氮酶M—簇和P—簇对的结构与功能关系

根据配位催化原理和化学探针思路，推断了野生菌固氮酶在酶促固氮反应中（Ｍｏ）位直接参与结合分子氮（Ｎ＝Ｎ）；论证了固氮酶钼铁蛋白Ｍ－簇（Ｋｉｍ－Ｒｅｓｓ模型）必须是活口的钼－铁－硫原子簇笼，对底物和抑制剂有人子识别能力，只有Ｎ＝Ｎ才能作为底物络合在（Ｍｏ－３Ｆｅ，３Ｆｅ）七核活性中心，而且必须有一条质子（和电子）接力传递链到达（Ｍｏ）位，Ｎ＝Ｎ才能排去氢基配体而进到（Ｍｏ）位，（否则就只能象ＨＣ＝Ｃ     

共边活口骈联双立方烷固氮酶活性中心固氮模型的量化处理

本文着重对我校固氮研究组1981年提出的共边活口骈联双立方烷固氮酶活性中心活化分子氮的模型,作了多原子簇络合的EHMO量化计算;并相应地计算了美国Newton差不多同时提出的固氮模型的核心部份。对比和分析几种络合N_2方式的总能量、络合能和电荷分布等物理化学性质。结果表明了两种固氮模型的相似性及它们酶促分子氮等底物的合理性。     

固氮酶活性中心MoK EXAFS谱拟合的初步探讨

本文以曲线拟合方法,找到钼微环境的信息为4Mo—S_1(R=2.35A)+2Mo—Fe(R=2.72A)+Mo—S_2(R=2.45A)+Mo— N(R=2.10A)的组成时,其EXAFS谱与固氨酶C_pI~(Sr)的EXAFS谱最佳拟合。组成为4Mo—S_X(R=2.35A)+2Mo—Fe(R=2.72A)+3Mo—N(R=2.10A)时,与FeMo—Cofactor的EXAFS谱最佳拟合。从而证明我校提出的并联双座(活口)共角(或共边)双立方烷型原子簇结构的固氮酶活性中心模型的合理性。     

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。     

化学模拟生物固氮——Ⅵ.铁钼辅基模型化合物的合成及其催化性能

本文讨论了先前我们提出的固氨酶活性中心骈联双座双立方烷原子簇结构模型的一些特征。根据这一模型。设计了铁钼辅基模型化合物的合成方案,合成了三系列的铁钼辅基模型化合物,其Mo、S~*、Fe之比如同这一模型所要求的,为1:～6:6～8。由氯化物系列和柠檬酸盐进行配位体交换而得到的柠檬酸盐系列中的两个样品,在KBH_4还原C_2H_2为C_2H_4的反应中具有很高的催化活性(按每个Mo计算,转变数为20～30分~(-1))和选择性(91～95％),接近天然的铁钼辅基的水平,并在与Av突变种UW_(45)重组后,按Shah和Brill的方法测定,显示出明显的固氮酶活性。     

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.     

固氮酶活性中心厦门模型Ⅲ上络合分子氮的量化计算

本文采用群轨道EHMO方法,对分子氮在蔡启瑞提出的“固氮酶活性中心结构”厦门模型Ⅲ上络合的两种方式,即在活性中心1Mo-2Fe三核金属上进行双端基加单侧基μ_3(η~2)络合及单端基加双侧基μ_3(η~2)络合,作了量子化学处理。结果表明:两种方式络合后的分子氮,其两个氮原子的重叠集居数,比络合前的大为减少,极大地削弱N≡N中的参键,活化了氮分子;两种方式络合氮分子的络合键能均显著;但在总能量和络合键能两方面,单端基加双侧基络合皆较有利;络合后模型化合物上的两个氮原子,均带负电荷,易为亲电子试剂(如H~+)进攻,结合生成氨或其它含氮化合物。其它的金属原子和非金属原子所带的净电荷数,也与该原子常见的是金属或非金属的性质相符。从而。由量子化学角度证明了1Mo-2Fe活性中心的合理性。     

固氮酶催化作用机理及其化学模拟

固氮酶是某些微生物在常温常压下固氮成氨的主要催化剂,其催化机理和化学模拟是国际上长期致力研究的对象。尽管人们已经揭示了固氮酶催化活性中心——铁钼辅基（FeMo-co)MoFe7S9（R-高柠檬酸）的结构,然铡,有关FeMo-co生物合成的详细途径和其中包含的钼铁转移和利用;固氮酶在哪些活性位和按什么模式结合N2,C2H2、CO等多种底物或抑制剂;以及其中涉及的电子和质子传递过程等许多问题,至今尚有待解决。本文将综述这些问题的研究进展和厦门大学固氮组最近五年来的相关研究工作。     

呋喃衍生物阳离子交换树脂加氢催化性能

呋喃衍生物糠酸阳离子交换树脂和糠醛树脂载上 Cu~( )或 Ni~( )后,与 KBH_4及 H_2O 组成非均相加氢催化体系,进行了乙腈及乙炔的加氢催化研究.结果表明: 所用催化剂具有较好的催化活性,其对乙腈的加氢催化性能更好些.其中.NO.3Cu 树脂催化的乙腈加氢反应,25分钟时乙烷和乙烯的总生成率为0.015%—0.057%,平均转化数则是4.04×10~(-3)—5.68×10~(-3)微摩[产物]/微摩 Cu·分,生成乙烷的选择性为79.4%-87.2%.因打开C≡N 键比 C≡C 键更困难,且 C≡N 更接近于 N≡N,也由于呋喃衍生物糠酸阳离子交换树脂体系和固氮酶体系的结构不同、以及前者较易制备,故对于固氮反应的研究而言,本文结果是具有一定的积极意义的.     

化学模拟生物固氮——Ⅺ 固氮酶铁钼辅基模拟物的生物活性

据固氮酶厦门模型Ⅱ合成的固氮酶铁钼辅基模拟物与缺陷型棕色固氮菌uw-45提取液重组后,在完全的酶促反应条件下,具有明显的生物催化活性,其还原乙炔为乙烯的转化数通常在3—6(分~(-1))之间,相当于天然铁钼辅基活性的1—2％左右;还原分子氮为氨的转化数在1.5—3(分~(-1))左右,可用普通微量氨扩散法和Nessler比色法检出。重组模拟物的乙炔转化数与氮转化数之比值符合于棕色固氮菌活性固氮酶相应的转化数之比。经柠檬酸盐处理后,以氯为外配位基的模拟物的重组活性可显著提高。     

电场作用下金属串配合物[Ru_3(dpa)_4]L_2(L=Cl,C≡N,C≡CPh)结构的理论研究

用密度泛函理论BP86结合自然键轨道分析方法,研究了具有分子导线潜在应用的含二吡啶胺配体(dpa)的金属串配合物[Ru3(dpa)4]L2(1:L=Cl,2:C≡N,3:C≡CPh)的Ru—Ru,Ru—L键及其在电场作用下的结构变化规律,结果表明:(1)配合物基态均存在Ru6+3离域三重键,1中具有1个σ43和2个!43离域键,2中具有σ23,!53和δ53离域键,3中具有1个σ23和2个!53离域键.1的轴向配体形成Ru—Cl弱配位σ键,2和3中Ru与C≡N和C≡CPh(下文简写为CN和CCPh)除形成Ru—C配位σ键外,还具有Ru(dyz,dxz)→L(!*C-N或!*C-C)反馈!键,减弱了Ru—Ru离域!键.且2的CN中N的电负性较大,其反馈!键更强使Ru—Ru键最弱,故Ru—Ru距离为231.(2)电场作用下,低电势端的Ru—Ru和Ru—L键缩短,而高电势端的Ru—Ru和Ru—L键增长;轴向配体的负电荷向高电势端转移,而Ru的正电荷则向低电势端移动;高电势端Ru的自旋密度减小,而低电势端Ru和L的自旋密度增大.因3中CCPh共轭性强,故电荷密度和自旋密度对电场更敏感,有利于电子在分子轴的传输.1~3的前线分子轨道分布、能级和能隙在电场作用下均较稳定.在电场中前线轨道仍能保持金属轴的离域,有利于电子传输.(3)含更大的共轭轴向配体CCPh的3的HOMO-LUMO能隙小于具有相同自旋态的2,故3的导电性可能最好.     

双齿配位体八配位镧系元素配合物的结构化学研究——Ⅲ.[C_4H_9O]~ [Ln(S_2CNC_4H_8)_4]~-(Ln=Pr和Sm)的合成和结构

镧系元素配合物[C_4H_9O]~ [Ln(S_2CNC_4H_8)_4]~-(Ln=Pr和Sm)是从LnCl_3和NH_4(S_2CNC_4H_8)在THF中反应45h而得到的。[C_4H_9O]~ [Ln(S_2CNC_4H_8)_4]~-的晶体和分子结构通过单晶X—射线结构分析获得,晶体属单斜晶系,空间群为P2_1/C,单胞参数分别为a=1.2233,b=1.5220,c=1.8308nm,β=98.62°(Pr—配合物);a=1.2208,b=1.5200,c=-1.8352nm,β=98.59°(Sm—配合物),晶体结构是从Patterson和Fou—rier方法解得,并用全矩阵最小二乘法修正,最后偏离因子R=0.057(Pr)和R=0.042(Sm)。两个化合物是属于异质同晶,它们阴离子部分是由Pr和Sm原子和配位体的八个S原子构成扭变的三角形十二面体的配位结构。     

含氮宾或卡宾的金属羰基簇合物的结构化学研究Ⅱ——Fe_2(CO)_6(PhNCONPh)的合成和结构

Fe_2(CO)_6(PhNCONPh)簇合物是由[Et_3NH][HFe_3(CO)_(11)]和C_6H_5NCO在苯中反应获得。应用四园衍射仪测定了该簇合物的晶体结构。晶体学数据:C_(19)H_(10)O_7N_2Fe_2,空间群P2_1/n,a=8.5062(1),b=13.2752(1),c=18.9038(2)(?),β=98.96(2)°,Z=4和D_c=1.643gcm~(-3)。结构系用直接法解出,最后R 因子为0.031.结果表明,题目簇合物分子是由苯代脲基C_6H_6—N—C(O)—N—C_6H_5中的N 原子,分别和(OC)_3Fe—Fe(CO)_3中的两个Fe 原子键合而成。使各两Fe 与N 原子和一个C 原子形成变形的双三角锥构型。     

络合物〔Co(acac)_2(R~1R~2NCH_2CH_2NR~3R~4)〕~ (R~1-R~4=H,CH_3;acac=2,4戊二酮离子)的合成、分光学性质及其异构体在平衡状态下的分布的研究

一系列〔Co(acac)_2L〕~ 型络合物〔acac=2,4戊二酮离子,L表示R~1R~2NCH_2CH_2NR~8R~4(R~1-R~4=H,CH_3)〕利用〔Co(acac)-3〕和二胺配位体在甲醇溶媒中进行反应而被合成。本文合成的所有络合物的纯化都是采用以SP—Sephadex C—25为交换剂的柱状色谱而进行的。而A(S)—异构体和A(R)—异构体的分离是采用以SE-Toyopearl为交换剂的柱状色谱而进行的。络合物的异构体的结构是基于~1H核磁共振(~1HNMR)和圆偏光二色性(CD)光谱而确定的。所有络合物的第一吸收带都在16600—18300cm~(-1)范围,表明~1A_1g→~1T_1g(O_h)的跃迁。本文所研究的二胺配位体的配位场强度依下面顺序减弱。 en>Me-en>N,N'-Me_2-en>N,N-Me_2-en>Me_3en>Me_4en。 Me-en,N,N'-Me_2en,Me_3en络合物的异构体在温度为25℃,pH=12.1的条件下,达到平衡且异构体在平衡状态下的分布是采用逆相高速液体色谱技术进行测定的。     

氨合成铁催化剂活性中心模型及分子氮的络合活化

根据α-Fe晶格参数,表面原子的配位不饱和性,反应的动力学几何因素,络合催化原理,以及由表面原子剩余杂化轨函所组成的基函的量子化学近似计算,本文提出N_2的端基吸附不是目前一般认为的垂直吸附在(111)晶面的底端原子上,而是N_2端基吸附在(111)晶面配位较底端原子不饱和的一个表面原子上,端基吸附与(111)面斜交约20°角,同时有三个与N_2分子中心相距约2.48A的最邻近铁原子侧基络合,生成端基加三侧基ω1,μ_3(η~2)型络合物。氨合成铁催化剂活性中心,除了这样的4-Fe原子簇吸附中心外,还需要一个和吸附中心毗邻并合用二原子的4-Fe原子簇氮分子离解中心,共构成6-Fe原子簇活性中心。本文提出的活性中心模型及吸附态,解释了H_2在铁屑上及钼屑上的吸附场电子发射显微镜图象(Brill et al.,＆ Ishizaka et al.);N_2或NH_3对催化剂预处理所引起的Mossbauer谱图象改变及氨合成活性的增加(Boudart et al.);N_2在Fe上的X光光电子能谱(Kishi et al.);说明了由场离子质谱证实的N_3~ ,N_4~ 的生成机理(Schmidt);~(14)N_2-~(15)N_2在Fe,Fe-Al_2O_3-K_2O上同位素交换机理,提出N或NH的表面迁移是同位素交换决定性步骤,从而解释了在Fe,Fe-Al_2O_3-K_2O上及H_2存在下同位素的显著差异及交换动力学(Ozaki et al.)。 ω_1,μ_     

氰基桥联双金属配位聚合物{[Ni(L)]3[Cr(CN)6]2·9H2O}n(L＝3,10-diethyl-1,3,5,8,10,12-hexaazacycloctadecane)的合成与结构

室温下将[Ni(L)](ClO4)2(L=3,10-diethyl-1,3,5,8,10,12-hexaazacycloctadecane)的DMF溶液和K3[Cr(CN)6]的水溶液在U型管中扩散反应合成了标题化合物:{[Ni(L)]3[Cr(CN)6]2·9H2O}n(化学式为C48H108Cr2N30 Ni3O9,Mr=1 529.77),晶体属三方晶系,空间群P3,晶胞参数a=1.4895(2)nm,b=1.4895(2)nm,c=0.9774(2)nm,α=90°,β=90°,γ=120°,V=1.8779(5)nm3,Z=1,dc=1.353g·cm-3,F(000)=810,R1=0.0474,wR2=0.1579.该化合物为二维蜂窝网状层结构,每个[Cr(CN)6]3-通过三个C3对称轴以氰基与三个[Ni(L)]2 顺式配位,其余三个CN-为端基,而每个[Ni(L)]2 中的Ni为六配位的八面体构型,其中赤道平面上的四个N原子来自于大环配体,轴向位置上的两个N原子分别来自于两个不同的[Cr(CN)6]3-中的氰基N原子.