栎精2,3-双加氧酶活化分子氧的生物模拟研究

摘要

分子氧的活化和C-C键的选择性氧化断裂是当今国际生物无机化学的研究热点之一。由于栎精2，3-双加氧酶(Quercetin2，3-Dioxygenase简称2，3-QD)可活化利用“绿色”氧化剂分子氧在温和条件下高效、高选择性地催化有机底物黄酮醇C-C键的开环氧化断裂反应并释放出CO，近年来2，3-QD的生物模拟引起了关注。本论文以弄清活性中心Glu羧基、金属离子及配体的电子效应对2，3-QD结构、催化反应活性的影响及其构-效关系，催化反应机理和分子氧的活化机理为目的，做了一系列探索性的工作，具体如下:
　　1.本论文设计、合成和表征了2个新的分子苯基侧臂邻位导入催化部位羧基，羧基的对位或间位导入不同取代基的3N-1-COOH（模拟2，3-QD活性中心金属离子3His-1Glu羧基的配位环境）的2，3-QD模型配体 LRH(R:OMe， NO2）(2-[(Bis-pyridin-2-ylmethyl-amino)-methyl]-4/5-methoxy/nitro-benzoic acid)。
　　2.设计、合成和表征了一系列（5个）2，3-QD结构和功能模型配合物[MⅡLOMe(OAc)](M: Mn，Fe，Co，Ni，Cu)和一系列(13个)酶-底物(ES)结构和功能模型配合物[MⅡLR(fla)](M: Mn，Fe，Co，Ni，Cu;R:OMe，Me，H, Br，NO2)，并对模型配合物结构、光谱及氧化还原性质进行了系统的比较研究。
　　3.通过UV-vis原位监测的方法对模型配合物与底物黄铜醇和O2的反应进行了系统的动力学研究，并用LC-MS和HPLC对反应产物进行了定性和定量分析，发现模型配合物均在较低温度下具有较高的酶反应活性，是很好的2，3-QD结构和功能模型。通过对模型配合物的比较研究，探讨了Glu羧基、金属离子及配体的电子效应对2，3-QD模型配合物的结构、性质、反应性的影响及其构-效关系，催化反应机理和分子氧的活化机理，得出了如下重要的结果和结论:
　　(1)羧基效应:2，3-QD模型配合物[MⅡLOMe(OAc)](M: Mn, Fe，Co，Ni，Cu)和ES模型配合物[MⅡLR(fla)](M: Mn，Fe，Co，Ni，Cu;R:OMe，Me，H，Br, NO2)均较文献报道的其他配体内未导入羧基的模型配合物反应性高，且反应温度较低(30～100℃)，证明了天然酶中Glu羧基的确是活性中心的一个催化部位。
　　(2)金属离子效应:配体相同时，含不同金属离子的模型配合物的结构非常类似，但其反应性却明显不同，金属离子可通过调节配位黄酮醇的电子云密度来影响反应性，为解开2，3-QD金属辅因子的选择多样性之谜提供了可靠的实验依据。
　　(3)配体的电子效应:金属离子相同时，模型配体内导入不同取代基的模型配合物的结构非常类似，但其反应性却明显不同，且其Hammett plot均呈很好的线性关系(ρ:-0.71～-0.75)，该反应的速控步骤为亲电反应，为进一步弄清2，3-QD活性中心附近的二级氨基酸残基的影响提供了可靠的实验依据。
　　4.通过对模型配合物的结构、性质及其反应性的系统的比较研究，首次探讨了其构-效关系。当配体内导入的取代基供电性越强，配位黄酮醇的B环和C环扭转角越小，底物黄酮醇的π→π*跃迁特征吸收峰的λmax越大，氧化电位Epa越负，反应性越高。配体取代基通过配位羧基、中心金属离子及配位黄酮醇内的共轭双键O(4)=C(27)-C(21)=C(22)这一“电子导管”(electron conduit)影响配位黄酮醇的构象和电子云密度，导致配合物反应性不同，为进一步弄清2，3-QD活性中心的结构和功能的构-效关系提供了可靠的实验依据。
　　5.通过对2，3-QD模型配合物[MⅡLOMe(OAc)]催化底物黄酮醇与O2的反应和ES模型配合物[MⅡLR(fla)]与O2的反应机理的系统研究，提出了可能的反应机理。虽然模型配合物的反应机理不尽相同，但其速控步骤均为底物黄酮醇fla-与O2之间的单电子转移生成黄酮醇自由基fla·和超氧阴离子自由基O2·-。
　　我们所设计合成的模型配合物较已报道的模型物相比，不仅在结构上更接近于2，3-QD活性中心结构，而且其反应性最高，是迄今为止已报道的模型物中最优化的结构和功能模型。

目录

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摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 加氧酶

1．3 双加氧酶系统中分子氧和底物的活化机理

1．4 栎精2，3-双加氧酶

1．5 栎精2，3-双加氧酶生物模拟研究概况

1．6 课题研究思路和构想

2 模型配合物[M11LOMe(OAc)]催化黄酮醇与O2的反应活性研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料和试剂

2．2．2 实验仪器

2．2．3 导入给电子基的模型配体LOMeH的合成

2．2．4 模型配合物[MⅡLOMe(OAc)](M：Mn，Fe，Co，Ni，Cu)的合成

2．2．5 模型配合物[MⅡLOMe(OAc)]单晶培养与晶体结构的测定

2．2．6 模型配合物[MⅡLOMe(OAc)]催化黄酮醇与O2反应的动力学实验

2．2．7 模型配合物[MⅡLOMe(OAc)]催化黄酮醇与O2反应的产物分析

2．3 结果与讨论

2．3．1 模型配体LOMeH和配合物[MⅡLOMe(OAc)]的设计合成

2．3．2 配合物1A、2A、5、3A、4A及2B的晶体结构

2．3．3 模型配合物[MⅡLOMe(OAc)]在溶液中的结构和性质表征

2．3．4 模型配合物[MⅡLOMe(OAc)]催化黄酮醇与O2的反应性研究

2．3．5 模型配合物[MⅡLOMe(OAc)]催化黄酮醇与O2的反应机理

2．4 本章小结

3 金属离子对2，3-QD酶-底物(ES)模型配合物与O2反应性的影响

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验材料和仪器

3．2．2 ES模型配合物[MⅡLOMe(fla)](M：Mn，Fe，Co，Ni，Cu)的合成

3．2．3 ES模型配合物[MⅡLOMe(fla)]单晶培养与晶体结构的测定

3．2．4 ES模型配合物[MⅡLOMe(fla)]与O2反应的动力学实验

3．2．5 ES模型配合物[MⅡLOMe(fla)]与O2反应的产物分析

3．3 结果与讨论

3．3．1 配合物8、9、10及7A的晶体结构

3．3．2 ES模型配合物[MⅡLOMe(fla)]的光谱和氧化还原性质

3．3．3 ES模型配合物[MⅡLOMe(fla)]与O2的反应性研究

3．3．4 ES模型配合物[MⅡLOMe(fla)]与O2的反应机理

3．4 本章小结

4 模型配体的电子效应对ES模型配合物的结构、性质和反应性的影响及其构-效关系

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验材料和仪器

4．2．2 导入吸电子基的模型配体LNO2H的合成

4．2．3 模型配合物[MⅡLR(fla)](M：Co，Ni；R：Me，H，Br，NO2)的合成

4．2．4 模型配合物[MⅡLR(fla)]单晶培养与晶体结构的测定

4．2．5 模型配合物[MⅡLR(fla)]与O2反应的动力学实验

4．2．6 模型配合物[MⅡLR(fla)]与O2反应的产物分析

4．3 结果与讨论

4．3．1 模型配合物[MⅡLR(fla)](R：H，Br，NO2)的晶体结构

4．3．2 模型配合物[MⅡLR(fla)]的光谱和氧化还原性质

4．3．3 模型配合物[MⅡLR(fla)]与O2的反应性研究

4．3．4 模型配合物[MⅡLR(fla)]与O2的反应机理

4．4 本章小结

5 结论与展望

参考文献

作者简介

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢