劉 　 媛，　王 　 一，　劉 文 華，　唐 　 喆，　張 愛 杰

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 生物工程學(xué)院, 遼寧 大連　116034；2.大連工業(yè)大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院, 遼寧 大連　116034；3.山西師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院， 山西 臨汾　041001 )

非血紅素鐵模型配合物[FeⅣ(O)(N4Py)]2+的磺化氧化反應(yīng)機理

劉 媛1，王 一1，劉 文 華2，唐 喆1，張 愛 杰3

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 生物工程學(xué)院, 遼寧 大連116034；2.大連工業(yè)大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院, 遼寧 大連116034；3.山西師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院， 山西 臨汾041001 )

摘要:利用密度泛函理論研究了4價非血紅素鐵模型配合物[FeⅣ(O)(N4Py)]2+的磺化氧化反應(yīng)機理。選取苯硫基甲烷及其對位衍生物為反應(yīng)底物，苯硫基甲烷對位取代基的吸電性越強，硫原子的Mulliken電荷數(shù)就越大?；腔趸磻?yīng)的反應(yīng)機理是在反應(yīng)過程中發(fā)生了直接的兩電子轉(zhuǎn)移。氧轉(zhuǎn)移反應(yīng)為兩態(tài)反應(yīng)，反應(yīng)活性主要由五重態(tài)的反應(yīng)能壘決定。通過計算可知，對位取代基的吸電性越強，其反應(yīng)能壘就越高，反應(yīng)活性順序由高到低依次為對甲基苯硫基甲烷、苯硫基甲烷，對氯苯硫基甲烷、對氰基苯硫基甲烷、對硝基苯硫基甲烷。

關(guān)鍵詞:非血紅素；磺化氧化反應(yīng)；密度泛函理論；氧轉(zhuǎn)移反應(yīng)

0引言

含有單核非血紅素鐵活性中心的氧激活酶可以參與許多重要的反應(yīng)，在環(huán)境、生理和藥物開發(fā)等領(lǐng)域具有重要的地位和作用[1]。單核非血紅素鐵氧活化酶催化反應(yīng)中間體通常是高價鐵氧配合物，可以參與許多重要的催化循環(huán)過程[2]。2003年，Que等首次合成可以獨立并穩(wěn)定存在的6齒配位4價鐵氧配合物[3]，隨后，合成了以N4和N4S為配位基的4價鐵氧配合物[4-6]，其性質(zhì)可以由莫斯堡譜[7-9]、拉曼光譜[10]、X衍射[1-12]和理論計算[13-15]等手段獲得。在生物合成領(lǐng)域，4價鐵氧配合物的反應(yīng)活性和穩(wěn)定性與配位基的結(jié)構(gòu)有著很大關(guān)系。非血紅素鐵模型配合物[FeⅣ(O)(N4Py)]2+的赤道方向有4個吡啶配位基，這4個配位基的方向都與FeO軸平行。[FeⅣ(O)(N4Py)]2+具有熱力學(xué)穩(wěn)定性，在25 ℃時，半衰期為60h，X衍射晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)顯示Fe—O鍵長為0.163 9nm[4]。大量的實驗數(shù)據(jù)[4,8]表明，[FeⅣ(O)(N4Py)]2+有著強氧化能力，不僅可以發(fā)生氫奪取反應(yīng)，還可以發(fā)生氧轉(zhuǎn)移反應(yīng)。它具有活化強C—H鍵的能力，甚至可以活化環(huán)己烷的C—H鍵(DCH=414kJ/mol)。KumarD[16]利用密度泛函理論研究了[FeⅣ(O)(N4Py)]2+與環(huán)己烷的羥基化反應(yīng)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，羥基化反應(yīng)是兩態(tài)反應(yīng)，其速控步驟是氫奪取反應(yīng)，其羥基化反應(yīng)的反應(yīng)活性甚至強于細(xì)胞色素P450。

盡管細(xì)胞色素P450的磺化氧化反應(yīng)已有廣泛研究[17-19]，但非血紅素鐵模型配合物的磺化氧化反應(yīng)的系統(tǒng)研究還比較少。[FeⅣ(O)(N4Py)]2+可以發(fā)生磺化氧化反應(yīng)，其氧化苯硫基甲烷的速率常數(shù)k2為0.065mol/s[14]。高價金屬氧化物發(fā)生磺化氧化反應(yīng)通常有兩種反應(yīng)機理[17,20]：直接的氧轉(zhuǎn)移反應(yīng)(DOT)；先發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移，然后是氧轉(zhuǎn)移反應(yīng)(ETOT)。為了能更好地探究其反應(yīng)機理，本文利用密度泛函理論研究了[FeⅣ(O)(N4Py)]2+氧化苯硫基甲烷及其對位衍生物的反應(yīng)機理。苯硫基甲烷在常溫常壓下性質(zhì)穩(wěn)定，常被用作有機合成的中間體。其結(jié)構(gòu)中含有苯環(huán)，可發(fā)生親核取代和親電取代反應(yīng)，通過選取具有不同性質(zhì)的對位取代基，可以更系統(tǒng)地研究4價非血紅素鐵模型配合物的磺化氧化反應(yīng)的反應(yīng)機制。

1計算方法

本文選取的模型是六齒配位的配合物[FeⅣ(O)(N4Py)]2+。全部計算使用Gaussian09軟件包。泛函為非限制性的B3LYP[21-23]。所有的優(yōu)化與反應(yīng)通道的計算都在溶劑里進(jìn)行，其模型為自洽反應(yīng)場的連續(xù)極化模型[24]，溶劑選取的是乙腈。幾何構(gòu)型的優(yōu)化都沒有限制其對稱性。對于鐵原子，采用的是LACVP基組，C、H、N、O、S、Cl采用的是6-31G**基組[25-26](簡稱為B1)。單點能計算，所有的原子都采用def2-TZVP[27]基組(簡稱為B2//B1)。對于苯硫基甲烷及其對位衍生物，利用UB3LYP/TZVP[28-29]對其進(jìn)行優(yōu)化。

2結(jié)果與討論

2.1[FeⅣ(O)(N4Py)]2+和苯硫基甲烷及其衍生物的電子結(jié)構(gòu)和幾何構(gòu)型

圖1為[FeⅣ(O)(N4Py)]2+的幾何結(jié)構(gòu)，以及在UB3LYP/B2//B1和UB3LYP/B2//B1+ZPE計算水平下，單重態(tài)、三重態(tài)和五重態(tài)的相對能量。通過計算結(jié)果可知，三重態(tài)為基態(tài)。三重態(tài)時，配合物的Fe—O鍵長為0.162 7nm，F(xiàn)e—Nax的鍵長為0.207 5nm，五重態(tài)時分別為0.162 2和0.209 6nm。[FeⅣ(O)(N4Py)]2+的三重態(tài)和五重態(tài)變化最大的就是Fe與赤道方向N的平均鍵長，三重態(tài)時Fe—Neq為0.198 8nm，五重態(tài)時為0.211 8nm。

圖1[FeⅣ(O)(N4Py)]2+單重態(tài)(三重態(tài))[五重態(tài)]的幾何結(jié)構(gòu)和相對能量

Fig.1The optimized structures and the relative energies of [FeⅣ(O)(N4Py)]2+for the singlet (triplet) [quintet] spin states

圖2為UB3LYP/TZVP計算水平下苯硫基甲烷及其對位衍生物的幾何和電子結(jié)構(gòu)。5個反應(yīng)底物分別是p-Me-thioanisole、thioanisole、p-Cl-thioanisole、 p-CN-thioanisole和p-NO2-thioanisole。氫原子、氯原子、氰基、硝基都是吸電子取代基，電負(fù)性越大吸引電子的能力越強，其電負(fù)性大小的順序為—NO2、—CN、Cl、H，而甲基為斥電子取代基。由圖2可知，對位取代基的電負(fù)性越大，α-HOMO的軌道能量就越低，硫原子的Mulliken電荷也就越大(值越正)，C—S的鍵長也就越短。

2.2磺化氧化反應(yīng)的反應(yīng)機理

圖3給出了在B2//B1計算水平下，[FeⅣ(O)(N4Py)]2+與苯硫基甲烷及其對位衍生物的反應(yīng)能壘。反應(yīng)由三重態(tài)開始，經(jīng)過五重態(tài)過渡態(tài)，最后形成產(chǎn)物。相對于3RC，五重態(tài)的反應(yīng)能壘分別為44.4、47.3、48.5、52.3和53.1kJ/mol。計算結(jié)果表明衍生物對位取代基的吸電性越強，反應(yīng)能壘就越高。

圖2UB3LYP/TZVP計算水平下苯硫基甲烷及其對位衍生物的幾何和電子結(jié)構(gòu)(QS為硫原子的Mulliken電荷)

Fig.2Key geometric and electronic features of UB3LYP/TZVP-optimized five substrates (QS:Mulliken charges of S)

如圖3所示，五重態(tài)過渡態(tài)時，F(xiàn)e—O的鍵長分別為0.164 0、0.164 2、0.164 6、0.165 7和0.166 7nm，S—O鍵的鍵長分別為0.292 2、0.287 5、0.280 6、0.267 1和0.257 8nm。由此說明對位取代基的吸電性越強，F(xiàn)e—O鍵的鍵長越長，而S—O的鍵長越短，說明過渡態(tài)形成的越晚，這與反應(yīng)能壘的趨勢相一致。

表1　Fe原子在反應(yīng)過程中的電子結(jié)構(gòu)參數(shù)

3結(jié)論

4價非血紅素鐵模型配合物[FeⅣ(O)(N4Py)]2+的基態(tài)為三重態(tài)。苯硫基甲烷對位取代基基團(tuán)的吸電性越強，硫原子的Mulliken電荷就越正。計算結(jié)果顯示，相對于3RC，五重態(tài)的反應(yīng)能壘分別為44.4、47.3、48.5、52.3和53.1kJ/mol，也就是說苯硫基甲烷對位取代基的供電性越強，其反應(yīng)就越難發(fā)生。同時研究了過渡態(tài)的幾何結(jié)構(gòu)，F(xiàn)e—O鍵長越長，S—O鍵長越短，發(fā)生過渡態(tài)越晚，反應(yīng)越難發(fā)生。通過反應(yīng)過程中對鐵原子自旋密度的分析可知，反應(yīng)過程是兩電子轉(zhuǎn)移的過程，發(fā)生直接的氧轉(zhuǎn)移反應(yīng)。本文從理論上探討了4價非血紅素鐵模型配合物磺化氧化反應(yīng)的反應(yīng)機理，為進(jìn)一步研究金屬離子效應(yīng)加速磺化氧化反應(yīng)提供了理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn):

[1]QUEL,HORYN.Dioxygenactivationbyenzymeswithmononuclearnon-hemeironactivesites[J].ChemicalReviews, 1996, 96(7): 2607-2624.

[2]COSTASM,MEHNMP,JENSENMP,etal.Dioxygenactivationatmononuclearnonhemeironactivesites:enzymes,models,andintermediates[J].ChemicalReviews, 2004, 104(2): 939-986.

[3]ROHDEJU,INJH,LIMMH,etal.CrystallographicandspectroscopiccharacterizationofanonhemeFe(Ⅳ)=Ocomplex[J].Science, 2003, 299: 1037-1039.

[4]ROHDEJU,TORELLIS,SHANXP,etal.Structuralinsightsintononhemealkylperoxoiron(Ⅲ)andoxoiron(Ⅳ)intermediatesbyX-rayabsorptionspectroscopy[J].JournaloftheAmericanChemicalSociety, 2004, 126(51): 16750-16761.

圖3B2//B1計算水平下[FeⅣ(O)(N4Py)]2+與苯硫基甲烷及其對位衍生物的反應(yīng)能壘和反應(yīng)過渡態(tài)的幾何結(jié)構(gòu)

Fig.3B2//B1 energy profiles for the reaction of [FeⅣ(O)(N4Py)]2+with thioanisole and its derivations and geometric details of the O-transfer transition states

[5]PARKJ,MORIMOTOY,LEEYM,etal.Metalioneffectontheswitchofmechanismfromdirectoxygentransfertometalion-coupledelectrontransferinthesulfoxidationofthioanisolesbyanon-hemeiron(Ⅳ)-oxocomplex[J].JournaloftheAmericanChemicalSociety, 2011, 133(14): 5236-5239.

[6]BISWASAN,PURIM,MEIERKK,etal.ModelingTauD-J:ahigh-spinnonhemeoxoiron(Ⅳ)complexwithhighreactivitytowardC-Hbonds[J].JournaloftheAmericanChemicalSociety, 2015, 137(7): 2428-2431.

[7]LIMMH,ROHDEJU,STUBNAA,etal.AnFeⅣ=Ocomplexofatetradentatetripodalnonhemeligand[J].ProceedingoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica, 2003, 100(7): 3665-3670.

[8]KAIZERJ,KLINKEREJ,OHNY,etal.NonhemeFeⅣOcomplexesthatcanoxidizetheC—Hbondsofcyclohexaneatroomtemperature[J].JournaloftheAmericanChemicalSociety, 2004, 126(2): 472-473.

[9]KLINKEREJ,KAIZERJ,BRENNESSELWW,etal.Structuresofnonhemeoxoiron(Ⅳ)complexesfromX-raycrystallography,NMRspectroscopy,andDFTcalculations[J].AngewandteChemieInternationalEdition, 2005, 44(24): 3690-3694.

[10]SASTRICV,OHK,LEEYJ,etal.Oxygen-atomtransferbetweenmononuclearnonhemeiron(Ⅳ)-oxoandiron(Ⅱ)complexes[J].AngewandteChemieInternationalEdition, 2006, 45(24): 3992-3995.

[11]KREBSC,FUJIMORIDG,WALSHC,etal.Non-hemeFe(Ⅳ)-oxointermediates[J].AccountsofChemicalResearch, 2007, 40(7): 484-492.

[12]QUEL.Theroadtonon-hemeoxoferrylsandbeyond[J].AccountsofChemicalResearch, 2007, 40(7): 493-500.

[13]MCDONALDAR,QUEL.High-valentnonhemeiron-oxocomplexes:synthesis,structure,andspectroscopy[J].CoordinationChemistryReviews, 2013, 257(2): 414-428.

[14]NEESEF.Theoreticalspectroscopyofmodel-nonheme[Fe(Ⅳ)OL5]2+complexesintheirlowesttripletandquintetstatesusingmultireferenceabinitioanddensityfunctionaltheorymethods[J].JournalofInorganicBiochemistry, 2006, 100(4): 716-726.

[15]SHAIKS,HIRAOH,KUMARD.Reactivityofhigh-valentiron-oxospeciesinenzymesandsyntheticreagents:ataleofmanystates[J].AccountsofChemicalResearch, 2007, 40(7): 532-542.

[16]KUMARD,HIRAOH,QUEL,etal.TheoreticalinvestigationofC—Hhydroxylationby(N4Py)FeⅣ=O2+:anoxidantmorepowerfulthanP450[J].JournaloftheAmericanChemicalSociety, 2005, 127(22): 8026-8027.

[17]GOTOY,MATSUIT,OZAKISI,etal.Mechanismsofsulfoxidationcatalyzedbyhigh-valentintermediatesofhemeenzymes:electron-transfervsoxygen-transfermechanism[J].JournaloftheAmericanChemicalSociety, 1999, 121(41): 9497-9502.

[18]SHAIKS,WANGY,CHENH,etal.ValencebondmodellinganddensityfunctionaltheorycalculationsofreactivityandmechanismofcytochromeP450enzymes:thioethersulfoxidation[J].FaradayDiscussions, 2010, 145: 49-70.

[19]PORROCS,SUTCLIFFEMJ,DEVISSERSP,etal.Quantummechanics/molecularmechanicsstudiesonthesulfoxidationofdimethylsulfidebycompoundⅠandcompound0ofcytochromeP450:whichisthebetteroxidant[J].TheJournalofPhysicalChemistryA, 2009, 113(43): 11635-11642.

[20]KHENKINAM,LEITUSG,NEUMANNR.Electrontransfer-oxygentransferoxygenationofsulfidescatalyzedbytheH5PV2Mo10O40polyoxometalate[J].JournaloftheAmericanChemicalSociety, 2010, 132(33), 11446-11448.

[21]BECKEAD.Density-functionalthermochemistry. Ⅰ.Theeffectoftheexchange-onlygradientcorrection[J].TheJournalofChemicalPhysics, 1992, 96(3): 2155-2160.

[22]BECKEAD.Density-functionalthermochemistry. Ⅲ.Theroleofexactexchange[J].TheJournalofChemicalPhysics, 1993, 98(7): 5648-5652.

[23]LEEC,YANGW,PARRRG.DevelopmentoftheColle-Salvetticorrelation-energyformulaintoafunctionaloftheelectrondensity[J].PhysicalReviewB, 1988, 37(2): 785-789.

[24]TOMASIJ,MENNUCCIB,CAMMIR.Quantummechanicalcontinuumsolvationmodels[J].ChemicalReviews, 2005, 105(8): 2999-3094.

[25]HAYPJ,WADTWR.Abinitioeffectivecorepotentialsformolecularcalculations.PotentialsforKtoAuincludingtheoutermostcoreorbitals[J].TheJournalofChemicalPhysics, 1985, 82(1): 299-310.

[26]FRIESNERRA,MURPHYRB,BEACHYMD,etal.Correlatedabinitioelectronicstructurecalculationsforlargemolecules[J].TheJournalofPhysicalChemistryA, 1999, 103(13): 1913-1928.

[27]WEIGENDF,AHLRICHSR.Balancedbasissetsofsplitvalence,triplezetavalenceandquadruplezetavalencequalityforHtoRn:designandassessmentofaccuracy[J].PhysicalChemistryChemicalPhysics, 2005, 7(18): 3297-3305.

[28]SCHAEFERA,HORNH,AHLRICHSR.FullyoptimizedcontractedGaussianbasissetsforatomsLitoKr[J].TheJournalofChemicalPhysics, 1992, 97(4): 257-2577.

[29]SCHAEFERA,HUBERC,AHLRICHSR.FullyoptimizedcontractedGaussianbasissetsoftriplezetavalencequalityforatomsLitoKr[J].TheJournalofChemicalPhysics, 1994, 100(8): 5829-5835.

Mechanismofsulfoxidationreactionbynon-hemeiron(Ⅳ)-oxo[FeⅣ(O)(N4Py)]2+complex

LIUYuan1,WANGYi1,LIUWenhua2,TANGZhe1,ZHANGAijie3

( 1.SchoolofBiologicalEngineering,DalianPolytechnicUniversity,Dalian116034,China；2.SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation,DalianPolytechnicUniversity,Dalian116034,China；3.SchoolofChemistryandMaterialScience,ShanxiNormalUniversity,Linfen041001,China)

Abstract:The sulfoxidation of non-heme iron(Ⅳ)-oxo [FeⅣ(O)(N4Py)]2+complex were studied by density functional theory calculations. When thioanisole and its para derivatives were selected as substrate, the Mulliken charges of sulfur atom were increased with the electron donation power of para-substituted. The mechanism of sulfoxidation reaction was two-electron transfer reaction. The oxygen transfer reaction was two-state and its reactivity was determined by quintet energy barrier. The reaction energy barrier increased with the electron donation power of para-substituted, and the relative reactivity descended as follows: para-Me-thioanisole, thioanisole, para-Cl-thioanisole, para-CN-thioanisole, para-NO2-thioanisole.

Key words:non-heme; sulfoxidation reaction; density functional theory; oxygen transfer reaction

收稿日期:2015-10-27.

基金項目:遼寧省教育廳一般項目(L2013214)；分子反應(yīng)動力學(xué)國家重點實驗室開放課題(K201511).

作者簡介:劉 媛(1991-)，女，碩士研究生；通信作者：王 一(1981-)，女，講師.

中圖分類號:O641

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1674-1404(2016)03-0212-05