金属化合物和金属酶催化反应机理的理论研究

【摘要】：本论文以量子力学和分子力学为基础,通过理论计算的方法,研究了金属有机化合物以及金属酶生物化学催化反应中的反应机理。对过渡金属有机化合物活化小分子,特别是活化二氧化碳分子的反应机理进行了研究；对生物酶,对其内部质子转移的机理进行了研究。另外,还与非金属化合物活化小分子的反应机理进行了对比。对于金属有机化合物活化小分子的研究,选取了两个过渡金属化合物活化二氧化碳的反应,一是过渡金属氢化物[FeH(PP3)]BF4催化氢化CO_2的反应,二是过渡金属配合物铜(I)-氮杂化卡宾催化羧化端炔烃与CO_2的反应。在第三、四章,通过DFT计算发现,对于反应一,该反应是在两个自旋态上进行的,高自旋的三重态和低自旋的单重态。CO_2的还原反应阶段出现了势能面的交叉现象并找到了相应交叉点(MECPs)。一些特殊的现象,中间体的开环结构,氧弹回现象等,被发现可能是引起势能面的交叉的原因。对于反应二,预测、验证并比较了三种可能的反应路径,确定了最优反应通道。研究发现,氮杂化卡宾活化后的CO_2插入到铜-端炔碳键过程中,首先生成的Cu-O键诱导了新的C-C键成键,再进一步完成CO_2的转移。这不同于普遍认为的是新C-C键的形成诱使CO_2从卡宾中心转移到了Cu中心。NHC在该反应中有两个功能,一是在助催化剂CO_2-NHC-Cu生成后加速反应进程,但助催化剂超高的稳定性也提高了整个反应的能垒；二是设计了两个NHC配位在同一金属中心的新型催化剂,可以通过增加金属中心的亲电性而大大促进CO_2的插入过程。为了与过渡金属有机化合物作比较,在第五章,我们选取了一种特殊的非金属化合物,受阻的路易斯酸碱对化合物(Frustrated Lewis paris,FLPs),计算了硼脒HC(iPrN)2B(C6Fs)2,舌化包括CO_2, CO和丙炔、苯乙炔两种端炔烃在内的小分子的反应机理。通过DFT计算发现,该类机理都遵从同步加成机理。相对于金属化合物,金属酶尽管是生物大分子,但在一些催化反应中往往催化效果更好,条件更加温和。在第六章选取了一种金属氧化还原酶细胞色素c氧化酶(Cytochrome c oxidase, CcO),用分子动力学模拟的手段研究了其氧化还原活化位点上方质子转移的反应途径,发现残基His376可以作为质子加载点来转移质子。通过两条连接DNC区域上方水空腔和膜外部P端的水通道,质子可以结合水被转移到膜外。通过缩小由G1n151Ⅱ和Arg449/Arg450组成的通道入口,或者通过残基Try136的构型变化,两条水通道可以被阻塞以防止质子回流,但看起来都会受到质子化的His376的影响。另外,活化位点附近的盐桥Arg225-Asp287的强度会根据质子态的不同而变化,而并不像实验推测的仅是通过简单的静电门控机制来阻止质子回流。我们的工作从微观上深入理解了金属有机化合物活化CO_2的本质,以及CcO转化分子氧生成水过程中,质子传递的原理。这为设计或优化新型相关催化剂提供了理论指导,打下了良好的基础。