第六章固氮作用及其化學(xué)模擬課件

第六章

固氮作用及其化學(xué)模擬1第六章

固氮作用及其

第一節(jié)固氮酶

第二節(jié)雙氮過渡金屬配合物

第三節(jié)固氮酶模擬第四節(jié)氮循環(huán)的生物無機化學(xué)22第一節(jié)固氮酶目前工業(yè)固氮采用高溫高壓在催化劑存在下由N2與H2反應(yīng)合成氨，這種固氮條件苛刻，且成本高。生物固氮是在常溫常壓在固氮酶的存在下，把氮轉(zhuǎn)變?yōu)榘?、供植物吸收。生物固氮有其局限性，不能運用于多種植物，故生物固氮模擬是所關(guān)注的一大問題，實質(zhì)上這一關(guān)注早在上世紀60年代就已開始。

3第一節(jié)固氮酶目前工業(yè)固氮采用高溫高壓在催化劑存在下由N2與

一.固氮微生物固氮微生物有兩個主要類群

{1.自生固氮微生物2.共生固氮微生物4一.固氮微生物固氮微生物有兩個主要類群4自生固氮微生物:能獨立固氮的微生物

{需氧微生物:固氮菌缺氧微生物(厭氧菌):巴氏芽孢梭菌兼性細菌:芽孢桿菌(有無氧均可)5自生固氮微生物:能獨立固氮的微生物需氧微生物:固氮菌5共生固氮微生物:

不能獨立固氮,必須侵入植物從植物獲得碳源和能源方可固氮,如豆科植物的根瘤菌。地衣苔蘚則由真菌和固氮藍藻相結(jié)合。6共生固氮微生物:不能獨立固氮,必須侵入植物從植物獲得碳源和豆科植物根部根瘤菌7豆科植物根部根瘤菌7二.固氮酶的催化反應(yīng)固氮酶來源于多種固氮微生物,能催化大氣中的N2還原為NH3,N2+8H++8e-+16MgATP→2NH3+H2+16MgADP+16Pi(無機磷酸鹽)8二.固氮酶的催化反應(yīng)固氮酶來源于多種固氮微生物,能催化大氣中除催化N2還原為NH3外,固氮酶還能和許多小分子底物作用,沒有嚴格的專一性。以下列出固氮酶催化反應(yīng):HCN+6H++6e→CH4+NH3

N2O+3H++2e→N2+NH3C2H2+2H++2e→C2H43CH=CH+6H++6e→CH2-CH2+CH2CH22CH3-CH=CH29除催化N2還原為NH3外,固氮酶還能和許多小分子底物作用,沒三.固氮酶的組成和結(jié)構(gòu)固氮酶由各種固氮微生物分離出來,均為由鉬鐵蛋白和鐵蛋白組成。固氮酶的結(jié)構(gòu)直到1993年才基本確定：固氮酶由鉬鐵蛋白和鐵蛋白這兩種相對獨立、相互分離的金屬蛋白構(gòu)成。功能:鐵蛋白是依賴于ATP供給能量的電子傳遞體,把電子傳遞給鉬鐵蛋白,鉬鐵蛋白結(jié)合底物分子并催化其還原。10三.固氮酶的組成和結(jié)構(gòu)固氮酶由各種固氮微生物分離出來,均為由四.固氮酶作用機理研究1993年,已基本確定固氮酶中鐵蛋白的作用是傳遞電子,鉬鐵蛋白與底物結(jié)合并還原N2的催化部位,即N2只有與鉬鐵蛋白(固氮酶中一組成部分)結(jié)合、方可被催化還原為NH3。現(xiàn)在的問題是:固氮酶的作用機理是什么?固氮酶這一多中心金屬酶如何組裝？11四.固氮酶作用機理研究1993年,已基本確定固氮酶中鐵蛋白的固氮酶的作用機理包括:電子的傳遞、N2分子的鍵合、催化和還原等。1.電子的傳遞研究表明，在固氮酶催化N2和其他底物的還原反應(yīng)中，電子傳遞順序為：（活體內(nèi)）鐵氧還蛋白或黃素蛋白（活體外）Na2S2O4}

鐵蛋白

鉬鐵蛋白→底物

→

MgATP12固氮酶的作用機理包括:電子的傳遞、N2分子的鍵合、催化和還原鐵蛋白兩個相同亞基單位中都結(jié)合著MgATP，研究表明，從鐵蛋白到鉬鐵蛋白的電子傳遞與ATP水解反應(yīng)是直接耦聯(lián)的，離開了MgATP則不能進行。從以下鐵蛋白的循環(huán)圖可以看出，鐵蛋白到鉬鐵蛋白的電子傳遞：13鐵蛋白兩個相同亞基單位中都結(jié)合著MgATP，研究表明，從鐵蛋

FeP（MgATP）2+MoFeP

FeP（MgATP）2MoFeP

復(fù)合物生成K1

K-1

K4核苷置換還原作用（固氮酶復(fù)合物）

ATP+H2O→ADP+H2PO-4+EFeP→MoFeP

FePoxMg（ADP）2+MoFePFePox（MgADP，Pi）2MoFePK3

K-3

固氮酶中鐵蛋白循環(huán)圖e14FeP（MgATP）2MoFeP復(fù)合物生成K1還原態(tài)的FeP與MgATP配合物先與MoFeP結(jié)合成固氮酶復(fù)合物，接著ATP進行水解，F(xiàn)eP→MoFeP電子轉(zhuǎn)移，此時鐵蛋白處于氧化態(tài)FePox，鉬蛋白被還原；接著FePox（MgADP）2從復(fù)合物中與還原態(tài)的鉬蛋白MoFeP分離；最后，還原態(tài)的鉬鐵蛋白MoFeP把電子傳遞給配位活性中心的底物分子使其還原，本身回復(fù)到天然態(tài)。FePox接受電子被還原，MgADP被MgATP取代。e15還原態(tài)的FeP與MgATP配合物先與MoFeP結(jié)合成固氮酶復(fù)2.底物的結(jié)合和還原MoFeP輔基是底物結(jié)合的部位，從鐵鉬輔基中鐵配位不飽和的事實出發(fā)，一般認為，底物是通過與三角形配位的鐵配位而結(jié)合的。但也有其他觀點：一種認為N2分子通過鐵鉬輔基中存在的Fe—Fe鍵形成Fe—N鍵而與鐵鉬蛋白結(jié)合；也有人認為以另一種方式結(jié)合。N2與鐵鉬輔基結(jié)合方式目前仍是一個未解決的問題。

Fe-NN-Fe

Fe

Fe

NN162.底物的結(jié)合和還原Fe-NN-FeFeFe固氮酶可催化多種底物的還原反應(yīng)，在催化N2還原過程中，N2被還原，總有H+還原為H2，方可生成NH3。已有研究表明，在此催化還原過程中產(chǎn)生的H2和N2的比值與FeP/MoFeP比值、PH值、ADP/ATP比值均有關(guān)。17固氮酶可催化多種底物的還原反應(yīng)，在催化N2還原過程中，N2被由于固氮酶的結(jié)構(gòu)仍未確定，化學(xué)家根據(jù)某些測定數(shù)據(jù)，提出多種鐵鉬化合物模型。1978年Hodgson提出兩種結(jié)構(gòu)模型,圖6-1。Hodgson、盧嘉錫及蔡啟瑞等的模型化合物的結(jié)構(gòu)圖6-2和圖6-3對了解天然固氮酶固氮機理十分有用。

五.鐵鉬輔基模型化合物的研究18由于固氮酶的結(jié)構(gòu)仍未確定，化學(xué)家根據(jù)某些測定數(shù)據(jù)，提出多種鐵第二節(jié)雙氮過渡金屬配合物自1965年在常溫下合成了第一個以N2為配體的配合物[Ru(NH3)5N2]Cl2氯化五氨雙氮合釕(Ⅱ),改變了N2分子不活潑的看法,提供了一種催化N2分子的途徑。目前已合成了眾多的雙氮配合物。研究發(fā)現(xiàn),可與N2分子配位的過渡金屬主要有:19第二節(jié)雙氮過渡金屬配合物自1965年在常溫下合成了第一個TiVCrMnFeCoNiZrNbMoTcRuRhPdTaWReOsIrPt其中Tc和Ta的雙氮配合物穩(wěn)定性差些。20TiVCrMnFeCoN2分子存在N≡N三鍵,很難打開,故穩(wěn)定、不活潑。從分子軌道N2(1σg)2(1σu)2(2σg)2(2σu)2(1πu)4(3σg)2看，它的最高占有軌道3σg的能級為-15.6ev，較低，最低空軌道1πg(shù)為-7ev，較高，二者差為8.6ev，表明N2不活潑。一.氮分子的不活潑性21N2分子存在N≡N三鍵,很難打開,故穩(wěn)定、不活潑。一.氮分子二.雙氮配合物的成鍵方式端﹥側(cè)基至今合成的雙氮配合物中，N2采取端基配位為主，少量以側(cè)基配位。CoH(N2)(PPh3)3和[{Ru(NH3)5}2N2]4+為端基配位，圖6-7；[{(C6H5Li)6Ni2N2(Et2O)2}2]為側(cè)基配位，圖6-8。22二.雙氮配合物的成鍵方式端﹥側(cè)基至今合成的雙氮配合物中，三.氮分子的配位活化在端基配位的雙氮過渡金屬配合物中，氮分子的π﹡分子軌道與金屬的d軌道重疊，按照N2→M及M→N2的成鍵方式，從末端與金屬結(jié)合。σ鍵形成降低了兩個氮原子之間的電子云密度，反饋π鍵更削弱了兩個氮原子的結(jié)合強度。側(cè)基配位N2→M及Mπ→N2同樣降低NN強度，使之活化。σπσπ23三.氮分子的配位活化在端基配位的雙氮過渡金屬配合物中，配位N2的活化程度與IRNN伸縮振動頻率有關(guān)，υ大，鍵強，υ小，鍵弱。大多數(shù)雙氮配合物的中心原子具有低氧化數(shù)（0～+2），電子構(gòu)型為d5-d10。這樣易形成反饋π鍵M→N2。

在雙氮配合物中，如果其他配體給電子能力強（Lewis堿性強），M與N2間易形成M→N2

鍵，N2活性愈大。如[Os(NH3)5N2]2+的N2活性大于[Os(NH3)4（CO）N2]2+。

π

π

24配位N2的活化程度與IRNN伸縮振動頻率有關(guān)，υ大，四.配位氮分子的反應(yīng)活性在過渡金屬雙氮配合物中，N2分子得到

活化（MN2）。如何使活化的N2形成NH3？這一步研究進展緩慢。

πσ25四.配位氮分子的反應(yīng)活性在過渡金屬雙氮配合物中，N2分子得到1975年J.Chatt報道單核W。雙氮配合物的N2通過二甲基苯基膦（PMe2Ph）可以質(zhì)子化生成NH3。

[W(N2)2(PMe2Ph)4]

2NH3+N2+W(Ⅵ)化合物H2SO4/CH3OH20℃261975年J.Chatt報道單核W。雙氮配以后又發(fā)現(xiàn)Mo和W的鹽類與diphos(Ph2PCH2CH2PPh2)在THF中生成單核雙氮配合物，經(jīng)萘鈉或格林試劑還原，在酸性介質(zhì)中可產(chǎn)生NH3。

[Mo(N2)2(diphos)2

2NH3+N2+Mo(Ⅵ)化合物

H+

27以后又發(fā)現(xiàn)Mo和W的鹽類與diphos(Ph2PCH2CH2其它過渡金屬Ti,Zr,Fe等的雙氮配合物經(jīng)還原也可得到氮的氫化物，如氨代肼（聯(lián)氨N2H4）。在過渡金屬雙氮配合物中，N2是一個很弱的σ供體和較好的π受體；因此，雙氮的電子密度增加，雙氮很易受到親電試劑進攻，通過質(zhì)子化形成氮的氫化物。28其它過渡金屬Ti,Zr,Fe等的雙氮配合物經(jīng)還原也可得到氮的第三節(jié)固氮酶模擬前面介紹的過渡金屬雙氮配合物，雖然在某些程度上可以模擬生物固氮作用（形成NH3、N2H4等）。目前合成的雙氮配合物的環(huán)境與生物體系有較大差異，很多包含非天然配體，如膦等。很多催化還原體系要在有機試劑中進行。29第三節(jié)固氮酶模擬前面介紹的過渡金屬雙氮配合物，雖然在某些程至今為止，人們對于固氮酶的活性中心的鐵鉬輔基的認識很膚淺。只知其為含兩個七原子欠完整的立方烷簇（完整的為8原子立方體）。一個為4Fe—3S原子簇，另一個為Mo—3Fe—3S原子簇，中間通過二個非蛋白的S2-和一個可能含有O或N等原子的未知配體X橋連。30至今為止，人們對于固氮酶的活性中心的鐵鉬輔基的認識很膚淺。只目前不可能合成真正的固氮酶，只能按其結(jié)構(gòu)來設(shè)計模型物，合成一些簡單的配合物來探索理想模型物應(yīng)有的結(jié)構(gòu)。固氮酶對底物沒有嚴格的專一性，因此可以推斷，鉬鐵蛋白活性中心結(jié)構(gòu)不一定有非常高的專屬性，將來也許能找到不止一種化合物具有在溫和條件下固氮的性能。目前已發(fā)現(xiàn)多種化合物能結(jié)合氮分子并使之活化。31目前不可能合成真正的固氮酶，只能按其結(jié)構(gòu)來設(shè)計模型物，合成一作為固氮酶模型的鉬化合物主要有以下四類：①鉬—鐵—硫原子簇；②鉬硫醇（包括鉬—半胱氨酸）；③鉬—二硫代氨基甲酸；④鉬—氰負離子。32作為固氮酶模型的鉬化合物主要有以下四類：32一.鉬—鐵—硫原子簇化合物的研究Mo—Fe—S原子簇化合物從組成和結(jié)構(gòu)最接近鐵鉬輔基，這方面研究很多。從1978年報道了第一個Mo—Fe—S化合物至今，已合成20余種不同類型簇合物幾十個。33一.鉬—鐵—硫原子簇化合物的研究Mo—Fe—S原子簇化合物從1.合成

Mo—Fe—S原子簇化合物的合成主要以硫代鉬酸鹽MoS42-為鉬的源化合物。所有合成均在無氧和純凈N2保護下，在室溫條件下合成，常在醇類介質(zhì)中合成。341.合成342.組成和結(jié)構(gòu)目前合成的Mo—Fe