甲烷单加氧酶的催化反应机理研究*

本文就甲烷单加氧酶近年来在催化反应机理方面的最新研究成果进行了详细阐述。甲烷C—H 键的活化机理主要包括自由基回弹机理和协调的氧插入机理。运用自由基探针底物和量化计算等方法对烷烃羟基化反应机理的直接研究表明, 目前没有一个统一的机理来解释甲烷单加氧酶的反应过程。反应机理的类型可能取决于MMO 的来源或者其他因素。对甲烷单加氧酶的几种中间化合物的各种光谱学研究有力地推动了机理研究的发展。     

羟基氧化铟团簇与二氧化碳和甲烷作用的密度泛函理论研究

二氧化碳(CO₂)和化石能源气体燃料甲烷(CH₄)均是化学稳定、 温室效应较大的分子, 因而对其活化、 转化和利用的研究具有显著的理论和实际意义. 本文采用密度泛函理论方法, 计算研究了羟基氧化铟团簇与CO₂, CH₄和(CO₂+CH₄)的作用. 结果表明, 氧化铟团簇通过其活性位点—In—O(桥氧)—对CO₂和CH₄分子进行[2+2]加成活化, 而羟基的引入调变了氧化铟团簇活性位点上的局部电荷, 显著降低了其与CO₂和CH₄分子作用的活化自由能垒, 使得CO₂和CH₄分子的活化变得容易进行. 活性位点—In—O(桥氧)—中的In, O上的局部电荷差值(q_In－q_O)越大, 其对CO₂和CH₄分子作用的活化自由能垒越低. 羟基氧化铟与CO₂和CH₄分子作用时, 电子由羟基氧化铟流向CO₂和CH₄分子(亲核活化); 而羟基引入前的氧化铟与CO₂和CH₄分子作用时, 电子则由CO₂和CH₄分子流向氧化铟(亲电活化).     

甲烷单加氧酶的化学模拟--酚氧双羧酸根桥联Fe2(Ⅲ)和Mn2(Ⅲ)配合物合成、表征及催化性能

合成表征了酚氧、双羧基桥联双组氨酸的手性双铁核配合物和双锰核配合物,研究了它们催化亚碘酰苯对烯烃的环氧化反应和对环烷烃的羟化反应.结果表明这种Fe2(Ⅲ)和Mn2(Ⅲ)配合物均是有效的甲烷单加氧酶(MMO)模型化合物,其中Fe2配合物能较好地再现MMO的某些性质,如电子光谱等.Fe2配合物催化苯乙烯环氧化反应生成环氧苯乙烷的产率为840%(以催化剂计),且R-(+)-构型对映体过量(e.e.)达45.4%.相应的Mn2配合物则以7080%产率给出环氧苯乙烷,R-(+)-构型对映体过量51.6%.Mn2配合物还能够催化环己烯和环己烷的氧化反应,产物及其分布分别为环氧环己烷3880、环己烯醇603、环己烯酮189和环己醇1053、环己酮639%(以催化剂计).EPR研究表明MM=O是反应的活性中间体.     

两种8-羟基喹啉锌配合物电子结构和光谱性质的理论研究

采用密度泛函理论在PBE0/6-31+G(d)-LANL2DZ水平下优化了两种8-羟基喹啉锌配合物的基态几何构型,并在相同水平下进行了频率分析以确认稳定点的性质.根据基态优化的构型,在TD-PBE0/6-31+G(d)-LANL2DZ水平下,采用极化连续介质模型(PCM)计算了甲醇溶剂中配合物的电子结构和电子吸收光谱.计算结果表明,配合物B中8-羟基喹啉2号位取代基蒽较大的π共轭作用使其具有较小的HOMO-LUMO能级差,从而使配合物B的最大吸收波长发生了红移现象.     

双环氧乙烷对三类亚硝胺的羟基化过程的理论研究

采用量子化学密度泛函(DFT)方法, 在B3LYP/6-31G**水平下研究了双环氧乙烷(Dioxirane)、氧化二甲基亚硝胺(NDMA)、吡咯烷亚硝胺(NPYR)和哌啶烷亚硝胺(NPIP)中的C—H键, 三类亚硝胺化合物均形成α-羟基化产物的反应机理. 得到三类分子的羟基化反应有syn-和anti-两种进攻方式, 在气相和溶剂(CH2Cl2)中, Dioxirane氧化三类亚硝胺分子有相对低的能垒, 均容易进行α-羟基化.     

双核铁配合物模拟甲烷单加氧酶催化烃类的分子氧氧化

以 [Fe2 Dhist(OAc) 2 ]BPh4·3H2 O为模型配合物、Zn粉为电子给体、HOAc为质子给体、甲基紫精 (MV2 +)为电子传递剂作为甲烷单加氧酶 (MMO)模拟体系在室温下实现了分子氧的还原活化和烃类的分子氧氧化 ,并用电子顺磁共振 (EPR)研究了分子氧的络合和活化过程 .结果表明 ,苯乙烯主要生成环氧苯乙烷 ( 1 396mol/1 0 0molFe2 配合物 )、苯甲醛 ( 1 6 1 6 0 )和苯乙酮 ( 986 ) ;环己烷生成环己醇 ( 9370 )和环己酮 ( 2 6 70 ) .FeⅣFeⅣ O是反应的活性中间体 ,由FeⅢFeⅢ 经还原、载氧、质子化形成 ,并与CC或C—H作用分别得到各氧化产物 .反应现象、EPR研究和产物分布与蚯蚓血红蛋白、MMO的有关过程十分相似 ,是一个良好的MMO模型体系 .相应的Mn2 ,FeZn及单Fe核配合物无活性 ,表明Fe2 核对产生催化活性是必需的 .     

二(2-苯基-8-羟基喹啉)锌及其衍生物的电子光谱性质的含时密度泛函理论研究

采用从头算(ab initio)和密度泛函理论(DFT B3LYP)方法。对二(2-苯基-8-羟基喹啉)锌(Zn(qPh)₂)及其衍生物的基态结构进行优化，同时用ab initio HF单激发组态相互作用(CIS)法在6-31G基组上优化其最低激发单重态几何结构，用含时密度泛函理论(TD-DFT/B3LYP)及6-31G基组计算吸收和发射光谱。计算表明，该类物质电子在基态与激发态间的跃迁，主要是电子云分布由定域化向离域化的转变。吸收及发射光谱的计算值与实验值基本符合。该类化合物的电子亲和能较大，都是优良的电子传输材料，改变中心金属原子对配合物光谱性质影响不大。而羟基氧被硫原子取代后，化合物的吸收光谱产生明显红移。     

甲烷与含氮有机杂环化合物吸附作用的DFT研究

根据煤中氮的存在形式,提炼出11种具有不同杂化方式及含氮量的有机环状化合物.应用密度泛函理论(DFT)模拟方法对甲烷在这11种含氮化合物上的吸附模型进行结构优化,并结合吸附能、电荷分布及静电势能面的分析,从微观角度考察了甲烷与这些化合物之间的相互作用.计算结果表明:甲烷与含氮化合物的相互作用能在3.81-6.82kJ·mol-1范围内,且通过氢键和静电力相互作用;当化合物中氮的杂化方式为sp2时,其与甲烷的作用能大于sp3杂化方式的;当化合物中的氮含量增加时,可以提供更多的甲烷吸附位点.     

羟基化氧化锌催化甲醇裂解反应机理的理论研究

采用密度泛函理论的B3LYP方法在两种基组水平上研究了羟基化氧化锌催化裂解甲醇反应机理, 优化了反应过程中各反应物、中间体、过渡态和产物几何构型, 并且应用了自然轨道理论(NBO)和分子中的原子理论(AIM)分析了这些物质的成键特征和轨道间的相互作用. 研究中分别采用了羟基化一个ZnO和羟基化两个ZnO作为催化剂的两种简化模型. 结果表明两种不同基组研究所得的反应历程及相应能量变化趋势一致; 羟基化两个ZnO催化剂活化裂解甲醇反应更容易发生.     

甲烷单加氧酶的模型化合物:以树脂为载体的双铁(Ⅲ)催化剂的合成、表征及催化性能的研究

使用树脂为载体,合成了6种新的双铁(Ⅲ)催化剂,成功的模拟了可溶性甲烷单加氧酶(MMO)的双核铁中心.这是首次使用树脂作为载体合成模拟MMO的非均相催化剂.在室温下以乙腈为溶剂,30%的过氧化氢或特丁基过氧化氢做氧化剂,环己烷或乙苯作为底物的反应中,催化剂具有MMO相似的催化活性.其中,使用大孔氨甲基树脂为载体合成的催化剂能有效地催化乙苯氧化得到较好的转化率(总收率达69.9%,TON值达55.3).同时研究了树脂的颗粒大小及阴离子供体对催化性能的影响.使用粒径0.675～0.280 mm的树脂和ClO-4的阴离子供体所合成的催化剂具有很好的催化活性.最后探讨了催化剂的回收和再利用.     

三态不饱和三核钌羰基化合物的理论研究

采用两种密度泛函方法和两种有效核势基组对中性不饱和三核钌羰基化合物Ru3(CO)n(n=11,10,9)的三态异构体进行理论计算,优化出8个稳定异构体.研究发现,三态异构体中带有多个非端羰基的异构体能量较低.对同一分子的三态异构体,所含非端羰基数目越多,则能量也越低.     

双咪唑苯和双三唑苯及其衍生物非线性光学性质的密度泛函研究

采用密度泛函理论(DFT)的UB3LYP(B3LYP)/6-31+G**方法对双咪唑苯和双三咪唑苯双自由基及其衍生物几何结构进行优化,并结合有限场(FF)方法计算这些体系的非线性光学(NLO)系数.结果表明,引入给、受体取代基都能使体系的极化率α和二阶超极化率γ增大.在双自由基体系中,引入给体NH2的α和γ值大于引入受体NO2的值,与闭壳层体系中结果相反.分析自由基成分和电荷对体系的二阶超极化率γ影响的结果表明,处于中间双自由基成分的分子比相似共轭性的闭壳层分子有更大的二阶超极化率γ;带电荷的双自由基体系引入给、受体之后,与中性自由基体系相比具有更大的二阶超极化率γ.     

羟基自由基和鸟嘌呤-胞嘧啶碱基对反应的密度泛函理论研究

为了解决年龄衰老、基因突变和癌症等问题, 理解DNA的氧化损伤机理非常重要. 本文利用密度泛函方法和极化连续介质模型在液相条件下研究了羟基自由基夺取鸟嘌呤-胞嘧啶(GC)碱基对上5 个氢原子的反应机理. 研究结果表明, 所有的脱氢反应路径都是放热过程, 热力学上五个脱氢反应路径形成自由基的稳定性顺序是(H2b-GC)^·>(GC-H4b)^·>(GC-H6)^·>(GC-H5)^·~(H8-GC)^·, 其中H2b反应路径的能量变化最大, 说明该反应平衡时的转化率最高. 动力学上, 相对于反应复合物的局部反应能垒大小顺序是H2b     

羟基负离子与一氟甲烷双分子亲核取代反应的量子化学研究

本文用LCAO-MO-SCF ab initio方法, 对OH^-+CH3F→CH3OH+F^-反应进行了过渡态理论及前线轨道理论的量子化学研究, 以4-31G为基组, 计算了反应进程的势能曲线,得到了过渡态的几何构型, 并用MP2方法进行了电子库仑相关效应的校正, 反应活化能的计算值与实验数据较为一致。用前线轨道理论对反应中分子重新组合过程进行了轨道分析, 较全面地解释了该反应的机理。     

铁卟啉催化二乙基亚硝胺羟基化的反应机理

采用密度泛函理论(DFT)对P450酶活性中心铁卟啉Cpd I催化二乙基亚硝胺(NDEA)代谢活化的反应机理进行了研究.结果表明,Cpd I催化NDEA羟基化的过程包含氢抽提反应和回弹反应2个步骤.其中,氢抽提反应为控速步骤,氢自由基从NDEA转移到铁卟啉的Fe O上,是典型的氢原子传递(HAT)过程;紧接着铁卟啉上的羟基经历无能垒的反应过程回弹到NDEA自由基上,形成羟基化代谢产物.NDEA羟基化过程中高自旋态(HS)和低自旋态(LS)均参与反应,整个羟基化过程呈现明显的双态反应性(TSR).研究比较了NDEA分子侧链上Cα—H和Cβ—H羟基化反应的差异,得到Cα—H和Cβ—H羟基化所需跨越的能垒分别为57.7/57.7 k J/mol(LS/HS)和76.4/74.3 k J/mol(LS/HS),表明Cα—H比Cβ—H更易于在P450作用下发生羟基化;此外,Cβ—H羟基化所需克服的能垒并未过高,使得Cβ—H羟基化在生理条件下完全也有可能发生.本研究为深入揭示亚硝胺经代谢活化导致癌症的作用机制提供了可靠的理论依据.     

鸟嘌呤受羟基自由基损伤反应机理的量子化学研究

用密度泛函理论(DFT)研究羟基自由基与鸟嘌呤分子加成反应的过渡态, 并进行内禀反应坐标(IRC)反应路径解析, 结果表明, 羟基自由基加成到鸟嘌呤碳碳双键上. 利用B3LYP/6-31++G**对反应物、反应物络合物、过渡态以及产物络合物等反应通道上各个能量驻点的能量进行了计算, 得到反应活化能E_a=28.0867 kJ/mol. AIM计算结果显示, 过渡态结构中鸟嘌呤分子碳碳双键结构被削弱, 羟基自由基氧原子与鸟嘌呤分子碳碳双键中的C4原子具有较强的相互作用, 双键中剩余的π电子离域到了环体系中.     

新型双8-羟基喹啉配体及其锌、铝配位聚合物的合成和性能

合成2种双8-羟基喹啉配体:3,5-二[4-(8-羟基喹啉-5-亚甲氨基)苯氧基]苯甲酸辛酯(B8HQO)和3,5-二[4-(8-羟基喹啉-5-亚甲氨基)苯氧基]苯甲酸十六酯(B8HQH),进一步与Zn(Ⅱ)、Al(Ⅲ)配位,得到4种金属配位聚合物(B8HQO-Zn、B8HQH-Zn、B8HQO-Al和B8HQH-Al)。 通过元素分析、红外光谱(FIIR)、紫外可见光谱(UV-Vis)、核磁共振氢谱(¹H NMR)、电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)、热重分析(TGA)及荧光光谱等测试手段对配体及金属配位聚合物进行结构表征和性能研究。 结果表明,与配体B8HQO和B8HQH相比,4种配位聚合物的溶解性降低,但可部分溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)、二甲基亚砜(DMSO)和N-甲基吡咯烷酮(NMP)中。 锌、铝配位聚合物的5%失重温度分别在378和364 ℃附近,具有较好的热稳定性。 4种配位聚合物的DMF溶液(3×10^-5 mol/L)在478~502 nm发射绿色荧光,荧光量子效率28%~37%,固体在528~553 nm发射强绿色荧光,具有良好的发光性能。     

锶掺杂对氧化镧催化甲烷氧化偶联反应的影响

甲烷氧化偶联反应(OCM)是天然气直接转化利用的重要途径之一.该反应通过甲烷和氧气在催化剂作用下一步将甲烷直接转化为乙烯等具有高附加值的产品,避免了涉及高能耗过程的合成气间接路径,不仅有可能减少中间副产物的生成,还有可能大大提升整个过程的能源利用效率.因此,研究OCM反应具有十分重要的实际意义.目前氧化镧基催化剂具有良好的催化活性、产物选择性和热稳定性,但在OCM反应中产品收率仍未能达到工业应用的要求,因而近几十年来高效OCM催化剂的研发一直是研究热点.实验发现,锶掺杂氧化镧催化剂具有更为优异的催化性能,主要表现在具有比纯氧化镧催化剂更高的催化活性和产物选择性,但对于锶掺杂的影响机制仍然缺乏系统的理论研究.目前普遍认为,甲烷活化是OCM反应的第一步,也是决速步,这主要是由于C?H键活化需要越过很高的能垒,因此往往需要很高的温度.本文主要采用团簇模型,通过密度泛函理论计算来研究OCM反应中锶掺杂对氧化镧催化剂上甲烷活化性能的影响及其作用原理.本文构建了八种锶掺杂的氧化镧团簇作为该催化剂模型,可分为没有自由基性质的团簇(LaSrO2(OH),La2SrO4,La3SrO5(OH),La5SrO8(OH))和具有自由基性质的团簇(LaSrO3,La2SrO4(OH),La3SrO6,La5SrO9).我们计算了甲烷在这些锶掺杂氧化镧团簇上Sr?O和La?O酸碱对位点以及氧自由基活性位点上的活化机制,以研究锶掺杂对OCM反应活性的影响,并与我们前期计算的纯氧化镧团簇上甲烷活化性能进行了对比.通过计算甲烷在不同锶掺杂氧化镧团簇上的物理和化学吸附能、活化能垒以及甲基自由基的脱附能,发现锶掺杂氧化镧团簇上的甲烷活化在热力学和动力学上都要比纯氧化镧团簇上更为有利.对于具有相同金属原子数目的团簇,甲烷在La?O上活化的能垒大小为:化学计量比的La?Sr?O团簇<非化学计量比的La?Sr?O团簇<化学计量比的La?O团簇;而甲烷在Sr?O上活化的能垒大小依次是:化学计量比的La?Sr?O团簇<非化学计量比的La?Sr?O团簇.给定一个锶掺杂氧化镧团簇,甲烷在不同活化位点上的活化能垒大小通常是:O·<相似文献   

CH3和CN取代8-羟基喹啉电子光谱性质的含时密度泛函理论研究

对8－羟基喹啉QH及其代衍生物MQH和CNQH用密度泛函方法（DFT）在B3LYP／6－31G＊水平上进行理论计算，探讨了供电子取代基（－CH3）和吸电子取代基（－CN）对分子电子结构，前线分子轨道能和光谱性质等的影响规律，在此基础上采用含时密度泛涵方法（TD－DFT）计算了电子光谱，计算结果表明，MQH，QH和CNQH的最低激发单重态都是A，激发能分别为3．58，3．72和3．74eV，在高激发态，无论是供电子基团（－CH3）还是拉电子基团（－CN），都导致取代衍生物的电子光谱红移。     

金属、配体和溶剂之间的协同性：基于密度泛函理论研究含双锌离子配合物催化磷酸二酯裂解的反应机理

Density functional theory (DFT)-Tao-Perdew-Staroverov-Scuseria (TPSS) functional calculations on dizinc complex-mediated phosphodiester cleavage indicate a general base catalytic mechanism. 2-hydroxylpropyl-4-nitrophenyl phosphate (HPNP) favors the bridging of two Zn ions by the formation of two coordination bonds between terminal phosphate oxygens and Zn ions. The Zn-bound hydroxide deprotonates the hydroxyl on the side chain of HPNP and consequently the alkoxide is stabilized by coordination to a Zn ion and a hydrogen-bond to Zn-bound water. A water molecule is tightly bound to two amino protons in the bis(1,4,7-triazacyclononane) ligand and this determines the orientation of HPNP during a nucleophilic attack to form a trigonal bipyramidal PO5 intermediate and it also weakens the bond between phosphorus and the phenolate, which makes the leaving of the latter easier. The phenolate formed after the collapse of the five-coordinated phosphorus intermediate easily coordinates to a Zn ion. Surprisingly, the stabilizing solvent effect for the transition state after the formation of the PO5 intermediate is much stronger (at least 42 kJ·mol-1) than that of all other species as they have solvation energies that fluctuate around 12.6 kJ·mol-1. Thus, the overall free energy barrier for this reaction after reactant-binding and before product release is about 17.0 kJ·mol -1, which is too low to be rate-determining. The rate-determining step is very likely part of the release process of the products. Based on various calculations, we discuss possible reasons for the different catalytic efficiencies of the dizinc complex and the enzymes.