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1、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
2、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-+16MgATP2NH3+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+ +6eCH4+NH3 N2O+3H+2eN2+NH3 C2H2+2H+2eC2H4 3CH=CH+6H+6eC
3、H2-CH2+ CH2 CH2 2CH3-CH=CH2,10,三.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
4、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,MgATP,13,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：,14,FeP（MgATP）2+MoFeP,FeP（MgATP）2MoFeP,复合物生 成 K1 K -1,K4,核苷置换 还原
5、作用,（固氮酶复合物）,ATP+H2OADP+H2PO-4+E FePMoFeP,FePoxMg（ADP）2+MoFeP FePox（MgADP，Pi）2MoFeP,K3 K -3,固氮酶中铁蛋白循环图,e,15,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，FePMoFeP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。,e,
6、16,2.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FeFe键形成FeN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-N,N-Fe,Fe,Fe,N,N,17,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
7、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)5N2Cl2氯化五氨双氮合钌(),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,Ti V Cr Mn Fe Co Ni Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd
8、Ta W Re Os Ir Pt其中Tc和Ta的双氮配合物稳定性差些。,21,N2分子存在NN三键,很难打开,故稳定、不活泼。从分子轨道N2(1g)2(1u)2(2g)2(2u)2(1u)4(3g)2 看，它的最高占有轨道3g 的能级为 -15.6ev，较低，最低空轨道1g 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)52N24+为端基配位，图6-7；(C6H5Li)6Ni2N2(Et2O)22 为侧基配位，图6-8
9、。,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， 氮分子的分子轨道与金属的d轨道重叠， 按照N2M及MN2的成键方式，从末端与金属结合。键形成降低了两个氮原子之间的电子云密度，反馈键更削弱了两个氮原子的结合强度。 侧基配位N2M及MN2 同样降低N N强度，使之活化。,24,配位N2的活化程度与IR N N伸缩振动频率有关，大，键强，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 易形成反馈键MN2。 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 MN2 键，N2活性愈大。如 Os(NH3)5 N2
10、2+的N2活性大于 Os(NH3)4（CO）N22+。,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（M N2） 。 如何使活化的N2形成NH3？这一步研究进展缓慢。,26,1975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()化合物,H2SO4/CH3OH 20,27,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)2 2NH
11、3+N2+Mo()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是一个很弱的供体和较好的受体；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
12、方烷簇（完整的为8原子立方体）。一个为4Fe3S原子簇，另一个为Mo3Fe3S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：钼铁硫原子簇； 钼硫醇（包括钼半胱氨酸）；钼二硫代氨基甲酸；钼氰负离子。,33,一.钼铁硫原子簇化
13、合物的研究,MoFeS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MoFeS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 MoFeS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MoFeS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
14、。实验测得，当Mo为五配位时，其MoS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MFeS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,NH3,NO2-,NO3-,固氮作用,N2,硝化作用成氨作用,N2O,(,),39,第六章结束,
