第六章固氮作用及其化学模拟

1第六章固氮作用及其化学模拟2第一节固氮酶第二节双氮过渡金属配合物第三节固氮酶模拟第四节氮循环的生物无机化学3第一节固氮酶目前工业固氮采用高温高压在催化剂存在下由N2与H2反应合成氨，这种固氮条件苛刻，且成本高。生物固氮是在常温常压在固氮酶的存在下，把氮转变为氨、供植物吸收。生物固氮有其局限性，不能运用于多种植物，故生物固氮模拟是所关注的一大问题，实质上这一关注早在上世纪60年代就已开始。4一.固氮微生物固氮微生物有两个主要类群{1.自生固氮微生物2.共生固氮微生物5自生固氮微生物:能独立固氮的微生物{需氧微生物:固氮菌缺氧微生物(厌氧菌):巴氏芽孢梭菌兼性细菌:芽孢杆菌(有无氧均可)6共生固氮微生物:不能独立固氮,必须侵入植物从植物获得碳源和能源方可固氮,如豆科植物的根瘤菌。地衣苔藓则由真菌和固氮蓝藻相结合。7豆科植物根部根瘤菌8二.固氮酶的催化反应固氮酶来源于多种固氮微生物,能催化大气中的N2还原为NH3,N2+8H++8e-+16MgATP→2NH3+H2+16MgADP+16Pi(无机磷酸盐)9除催化N2还原为NH3外,固氮酶还能和许多小分子底物作用,没有严格的专一性。以下列出固氮酶催化反应:HCN+6H++6e→CH4+NH3N2O+3H++2e→N2+NH3C2H2+2H++2e→C2H43CH=CH+6H++6e→CH2-CH2+CH2CH22CH3-CH=CH210三.固氮酶的组成和结构固氮酶由各种固氮微生物分离出来,均为由钼铁蛋白和铁蛋白组成。固氮酶的结构直到1993年才基本确定：固氮酶由钼铁蛋白和铁蛋白这两种相对独立、相互分离的金属蛋白构成。功能:铁蛋白是依赖于ATP供给能量的电子传递体,把电子传递给钼铁蛋白,钼铁蛋白结合底物分子并催化其还原。11四.固氮酶作用机理研究1993年,已基本确定固氮酶中铁蛋白的作用是传递电子,钼铁蛋白与底物结合并还原N2的催化部位,即N2只有与钼铁蛋白(固氮酶中一组成部分)结合、方可被催化还原为NH3。现在的问题是:固氮酶的作用机理是什么?固氮酶这一多中心金属酶如何组装？12固氮酶的作用机理包括:电子的传递、N2分子的键合、催化和还原等。1.电子的传递研究表明，在固氮酶催化N2和其他底物的还原反应中，电子传递顺序为：（活体内）铁氧还蛋白或黄素蛋白（活体外）Na2S2O4}铁蛋白钼铁蛋白→底物→MgATP13铁蛋白两个相同亚基单位中都结合着MgATP，研究表明，从铁蛋白到钼铁蛋白的电子传递与ATP水解反应是直接耦联的，离开了MgATP则不能进行。从以下铁蛋白的循环图可以看出，铁蛋白到钼铁蛋白的电子传递：14FeP（MgATP）2+MoFePFeP（MgATP）2MoFeP复合物生成K1K-1K4核苷置换还原作用（固氮酶复合物）ATP+H2O→ADP+H2PO-4+EFeP→MoFePFePoxMg（ADP）2+MoFePFePox（MgADP，Pi）2MoFePK3K-3固氮酶中铁蛋白循环图e15还原态的FeP与MgATP配合物先与MoFeP结合成固氮酶复合物，接着ATP进行水解，FeP→MoFeP电子转移，此时铁蛋白处于氧化态FePox，钼蛋白被还原；接着FePox（MgADP）2从复合物中与还原态的钼蛋白MoFeP分离；最后，还原态的钼铁蛋白MoFeP把电子传递给配位活性中心的底物分子使其还原，本身回复到天然态。FePox接受电子被还原，MgADP被MgATP取代。e162.底物的结合和还原MoFeP辅基是底物结合的部位，从铁钼辅基中铁配位不饱和的事实出发，一般认为，底物是通过与三角形配位的铁配位而结合的。但也有其他观点：一种认为N2分子通过铁钼辅基中存在的Fe—Fe键形成Fe—N键而与铁钼蛋白结合；也有人认为以另一种方式结合。N2与铁钼辅基结合方式目前仍是一个未解决的问题。Fe-NN-FeFeFeNN17固氮酶可催化多种底物的还原反应，在催化N2还原过程中，N2被还原，总有H+还原为H2，方可生成NH3。已有研究表明，在此催化还原过程中产生的H2和N2的比值与FeP/MoFeP比值、PH值、ADP/ATP比值均有关。18由于固氮酶的结构仍未确定，化学家根据某些测定数据，提出多种铁钼化合物模型。1978年Hodgson提出两种结构模型,图6-1。Hodgson、卢嘉锡及蔡启瑞等的模型化合物的结构图6-2和图6-3对了解天然固氮酶固氮机理十分有用。五.铁钼辅基模型化合物的研究19第二节双氮过渡金属配合物自1965年在常温下合成了第一个以N2为配体的配合物[Ru(NH3)5N2]Cl2氯化五氨双氮合钌(Ⅱ),改变了N2分子不活泼的看法,提供了一种催化N2分子的途径。目前已合成了众多的双氮配合物。研究发现,可与N2分子配位的过渡金属主要有:20TiVCrMnFeCoNiZrNbMoTcRuRhPdTaWReOsIrPt其中Tc和Ta的双氮配合物稳定性差些。21N2分子存在N≡N三键,很难打开,故稳定、不活泼。从分子轨道N2(1σg)2(1σu)2(2σg)2(2σu)2(1πu)4(3σg)2看，它的最高占有轨道3σg的能级为-15.6ev，较低，最低空轨道1πg为-7ev，较高，二者差为8.6ev，表明N2不活泼。一.氮分子的不活泼性22二.双氮配合物的成键方式端﹥侧基至今合成的双氮配合物中，N2采取端基配位为主，少量以侧基配位。CoH(N2)(PPh3)3和[{Ru(NH3)5}2N2]4+为端基配位，图6-7；[{(C6H5Li)6Ni2N2(Et2O)2}2]为侧基配位，图6-8。23三.氮分子的配位活化在端基配位的双氮过渡金属配合物中，氮分子的π﹡分子轨道与金属的d轨道重叠，按照N2→M及M→N2的成键方式，从末端与金属结合。σ键形成降低了两个氮原子之间的电子云密度，反馈π键更削弱了两个氮原子的结合强度。侧基配位N2→M及Mπ→N2同样降低NN强度，使之活化。σππ24配位N2的活化程度与IRNN伸缩振动频率有关，υ大，键强，υ小，键弱。大多数双氮配合物的中心原子具有低氧化数（0～+2），电子构型为d5-d10。这样易形成反馈π键M→N2。在双氮配合物中，如果其他配体给电子能力强（Lewis碱性强），M与N2间易形成M→N2键，N2活性愈大。如[Os(NH3)5N2]2+的N2活性大于[Os(NH3)4（CO）N2]2+。25四.配位氮分子的反应活性在过渡金属双氮配合物中，N2分子得到活化（MN2）。如何使活化的N2形成NH3？这一步研究进展缓慢。πσ261975年J.Chatt报道单核W。双氮配合物的N2通过二甲基苯基膦（PMe2Ph）可以质子化生成NH3。[W(N2)2(PMe2Ph)4]2NH3+N2+W(Ⅵ)化合物H2SO4/CH3OH20℃27以后又发现Mo和W的盐类与diphos(Ph2PCH2CH2PPh2)在THF中生成单核双氮配合物，经萘钠或格林试剂还原，在酸性介质中可产生NH3。[Mo(N2)2(diphos)22NH3+N2+Mo(Ⅵ)化合物H+28其它过渡金属Ti,Zr,Fe等的双氮配合物经还原也可得到氮的氢化物，如氨代肼（联氨N2H4）。在过渡金属双氮配合物中，N2是一个很弱的σ供体和较好的π受体；因此，双氮的电子密度增加，双氮很易受到亲电试剂进攻，通过质子化形成氮的氢化物。29第三节固氮酶模拟前面介绍的过渡金属双氮配合物，虽然在某些程度上可以模拟生物固氮作用（形成NH3、N2H4等）。目前合成的双氮配合物的环境与生物体系有较大差异，很多包含非天然配体，如膦等。很多催化还原体系要在有机试剂中进行。30至今为止，人们对于固氮酶的活性中心的铁钼辅基的认识很肤浅。只知其为含两个七原子欠完整的立方烷簇（完整的为8原子立方体）。一个为4Fe—3S原子簇，另一个为Mo—3Fe—3S原子簇，中间通过二个非蛋白的S2-和一个可能含有O或N等原子的未知配体X桥连。31目前不可能合成真正的固氮酶，只能按其结构来设计模型物，合成一些简单的配合物来探索理想模型物应有的结构。固氮酶对底物没有严格的专一性，因此可以推断，钼铁蛋白活性中心结构不一定有非常高的专属性，将来也许能找到不止一种化合物具有在温和条件下固氮的性能。目前已发现多种化合物能结合氮分子并使之活化。32作为固氮酶模型的钼化合物主要有以下四类：①钼—铁—硫原子簇；②钼硫醇（包括钼—半胱氨酸）；③钼—二硫代氨基甲酸；④钼—氰负离子。33一.钼—铁—硫原子簇化合物的研究Mo—Fe—S原子簇化合物从组成和结构最接近铁钼辅基，这方面研究很多。从1978年报道了第一个Mo—Fe—S化合物至今，已合成20余种不同类型簇合物几十个。341.合成Mo—Fe—S原子簇化合物的合成主要以硫代钼酸盐MoS42-为钼的源化合物。所有合成均在无氧和纯净N2保护下，在室温条件下合成，常在醇类介质中合成。352.组成和结构目前合成的Mo—Fe—S簇合物，其结构基本上可以分为立方烷和线型两大类。立方烷含MoFe3S4结构单元，包括单立方烷和双立方烷型，（图6-10），图6-14；线型含MoS2Fe的结构单元，包括双核和三核型，（图6-11），图6-15。通常Mo和Fe的配位数为6。实验测得，当Mo为五配位时，其Mo—S键长与铁钼辅基相近，五配位的钼是不饱和的，对底物（N2）配位催化有利。由此推测，铁钼辅基中钼的配位数为5。现已合成出相应的M—Fe—S簇合物。36第四节氮循环的生物无机化学在氮的生物转化过程中，由固氮作用生成的氨和含氮有机物分解产生的氨都能被微生物利用。这些微生物可以使氨氧化，经过一系列反应，最终生成硝酸盐，这个过程称为硝化作用。硝化作用与二氧化碳还原同时发生，CO2还原为新物质碳源。37与硝化作用相反，同时存在硝酸盐还原的过程，其中生成氨的途径称为成氨作用，生成N2的途径称为脱氮作用。这些过程一起构成了氮在生物圈中的循环。38氮的循环图含氮有机物NH3NO2-NO3-固氮作用N2硝化作用成氨作用N2O()39