摘要: 在自然界生物体内，广泛存在着一类活性中心含有两个铁原子的双铁加氧酶，研究双铁加氧酶含氧活性中间体的结构，对揭示其活化双氧分子的机制非常关键。然而，由于含氧活性中间体的活性高且结构不稳定，用传统的X射线单晶衍射方法获取其结构信息非常困... 展开 在自然界生物体内，广泛存在着一类活性中心含有两个铁原子的双铁加氧酶，研究双铁加氧酶含氧活性中间体的结构，对揭示其活化双氧分子的机制非常关键。然而，由于含氧活性中间体的活性高且结构不稳定，用传统的X射线单晶衍射方法获取其结构信息非常困难，通过理论计算化学手段预测双铁加氧酶含氧活性中间体的结构，并基于此研究其反应机制，成为当前该领域的重要研究前沿。更重要的是，理论与计算化学的研究不仅能从微观层面认知物质结构与性质的关系，还能进一步阐明物质变化过程的微观机制，从而实现指导相关功能分子的设计与应用。一般地，对于化学键的研究与认知是理论与计算化学甚至整个化学学科发展的关键课题，化学键除了典型的共价键、离子键以及金属键外还包括分子间的相互作用van der Waals力、氢键相互作用以及其他的非共价键相互作用。卤键，作为分子间的非共价键相互作用是一种类似氢键的分子间弱相互作用，在分子识别、手性拆分、晶体工程以及超分子组装等研究领域有广泛的应用。如果能在卤键体系中发生取代反应并且将其应用于上述领域的合成与制备中，将会开创一种全新的化学转化方式与合成材料的模式。所以，利用理论与计算化学手段研究和理解化学键活化、化学键成键以及其所涉及的反应机制已经成为认知和探索化学学科领域的重要研究方向之一。 基于上述研究方向，本论文的工作分别涉及两个内容，第一个是利用多尺度混合量子力学/分子力学(QM/MM)方法结合57Fe穆斯堡尔谱参数模拟研究了三个双铁加氧酶，并且成功预测了其含氧活性中间体结构，探索了化学键活化与双铁加氧酶的反应机制。第二个是结合密度泛函理论与价键理论的方法深入研究了在定向外部电场(Oriented External Electric Fields，OEEF)存在时催化卤键化合物发生取代反应的反应机制，建立了相应的取代反应模型，为进一步认知和理解这种化学键成键行为以及电场催化化学提供了理论指导。 本论文的第一部分工作中，开展了多尺度QM/MM理论计算模拟预测双铁加氧酶含氧活性中间体结构与反应机制的研究。第一个研究的双铁加氧酶是蓝细菌醛脱甲酰基加氧酶(cADO)，针对其含氧活性中间体结构、57Fe穆斯堡尔谱参数、底物氧化机理等尚未解决的问题，我的研究工作证实了其中间体结构是O2与醛底物形成的过氧半缩醛结构，而不是以往通常认为的过氧化物结构。研究还发现，O2、醛底物、对称双铁中心三者间的相互作用，具有左右不对称性，在含氧活性中间体形成时，作为双铁轴向配体的一个组氨酸残基His160会罕见地从双铁中心解离。本工作也显示了基于QM/MM水平的57Fe穆斯堡尔谱模拟，在双铁加氧酶含氧活性中间体预测方面具有应用潜力。 紧接着，针对目前仅有的两个双铁芳胺加氧酶AurF和CmlI，对其开展了多尺度QM/MM模拟结合57Fe穆斯堡尔谱模拟的研究，研究结果首次提出了这两种酶的含氧活性中间体P具有相同的化学组成以及类似的配位结构。研究发现:(1)AurF和CmlI的含氧活性中间体P都具有μ-η0∶η2型O2配位的双三价铁氨过氧化物(FeⅢ)hydroperoxo结构;(2)预测的双三价铁氢过氧化物结构P可以有效介导芳胺基氧化为亚硝基，再进一步氧化生成硝基的芳胺氮氧化过程，其中涉及胺基孤对电子的电子耦合质子转移(PCET)过程对胺基N-H键断裂起重要作用;(3)理论计算预测的双三价铁氢过氧化物的μ-η0∶η2型O2配位结构可以解释很多双铁芳胺加氧酶实验研究中的难题，如AurF和CmlI不同的57Fe穆斯堡尔谱参数，其含氧活性中间体P具有相对较低的O-O振动频率、含氧活性中间体P的亲电/亲核双亲型反应性、以及其对C-H键活化的反应惰性。研究结果预言的双铁芳胺加氧酶AurF和CmlI含氧活性中间体P的化学组成一致、配位结构类似，为统一它们的酶催化反应机理提供了基础。 本论文的第二部分工作是定向外部电场(Oriented External Electric Fields，OEEF)催化卤键化合物发生取代反应的理论研究。在卤键体系中发生取代反应是一种不常见的化学反应，例如:B:---(X—Y)→(B—X)++:Y-，在B:---（X—Y）这种卤键化合物(XB)中，通过路易斯碱B:亲核进攻卤原子X来完成取代的反应过程，但是计算结果表明该反应在气相下是热力学禁阻的。在所选择的14个卤键化合物研究样本中，大多数样本化合物不管是在气相（在气相中X-Y键解离成自由基）还是在CH2Cl2或者CH3CN溶剂中发生的取代反应的能垒都非常高。从而，通常情况下卤键化合物都被困在势阱中并且不能发生反应。然而，当定向外部电场(OEEF)沿着B---X---Y反应坐标时，该外部电场充当电动镊子，将卤键化合物XB在空间中固定并沿着电场的方向高效地定向催化该反应过程，将反应的能垒降低数十千卡每摩尔，从而使反应得以实现。沿着反应坐标的方向翻转电场（OEEF）的方向则会抑制该反应的发生，同时削弱卤键化合物(XB)的分子间相互作用。此外，当定向外部电场(OEEF)的强度达到特定的数值后，每一个卤键化合物(XB)都能够自发的无能垒的实现该取代反应的发生。因此，定向外部电场(OEEF)实现了对卤键化合物(Ⅻ)物种结构和反应的严格控制，并且应用价键理论的模型分析阐明了定向外部电场(OEEF)控制反应性的方式与机制。为实验人员进一步改进和研究相关课题提供了方向。 综上所述，本博士论文的工作有助于进一步理解和研究非血红素双铁加氧酶的含氧瞬态活性中间体结构以及其反应机制，而发展的结合多尺度QM/MM模拟与57Fe穆斯堡尔谱模拟的方法能够在将来推广到其他含铁酶甚至更多核铁酶的研究工作中去。另外，关于定向外部电场催化卤键化合物发生取代反应的理论研究，以及对其进行的价键理论的分析、反应模型与机制的建立，更进一步为实验人员改进相关实验指明了方向。 收起