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1、第2章 与生物无机研究有关的配位化学原理,热力学要点 动力学要点 生物体中金属离子的电子结构和几何结构 配合物中配体的反应性 模型配合物和自组装概念,2.1 热力学要点,软硬酸碱概念 螯合作用和Irving-Williams序列 配体的pKa值 氧化还原电位的调节 生物高分子的作用,1.软硬酸碱概念,软：体积大且易被极化硬：体积小且不易被极化硬酸亲硬碱，软酸亲软碱如：Ca2易和羧基上氧原子结合，Fe3易和羧酸根或酚基氧配位，Cu2易和组氨酸的氮配位。,金属硫蛋白是一种富含半胱氨酸的低分子量蛋白质，分子量600010000，它的一个生物功能是保护细胞，在这类小分子蛋白中，几乎3035的氨基酸是半
2、胱氨酸残基，其巯基最容易结合软金属离子，如Cd2+,Hg2+,Pb2+,Tl+，以防止等金属离子的毒害作用。,2.螯合作用和Irving-Williams序列,EDTA是一个常见螯合剂，可用于医药上螯合活体中存在的过量毒性金属，也可以用作食品添加剂，螯合必须元素，限制细菌对它的利用，从而防治食物腐败。生物体中存在的卟啉、咕啉是螯合配体的例子，能螯合不同氧化态的多种金属离子，这些螯合单元提供了在生物中广泛存在、能被利用的生物无机功能基团，细胞色素（Fe）、叶绿素（Mg）和维生素B12（Co）就是其中的几例。,血红素c,维生素B12,EDTA,Ca2Zn2,Irving-Williams序列,是生
3、物无机化学研究另一个常用无机化学原理。,3.配体的pKa值,生物体中大部分金属离子的正电荷，对结合于配位层的质子配体的酸性阴离子（共轭碱）起稳定作用。,配位水脱质子生成羟基配体，是几种金属酶催化水解机理中所假定的一个步骤。两个或几个金属离子与一个质子配体的配位，甚至会使pKa值惊人地降低。,这说明了如果没有配体的支撑，水合铁（III）离子以及许多其它金属离子配合物都不能在7左右的生理pH下存在。其他质子生物配体的二聚或多聚金属离子相当普遍的存在着。如，在铁硫蛋白中发现三桥联的3硫三铁单元，在牛红血球超氧化物歧化酶中发现桥联咪唑基铜（II）锌（II）。,4.氧化还原电位的调节,改变金属中心的配位
4、原子和立体化学，能使电子转移反应的电位发生很大变化。,在Cu(O-sal)2en中引入大的R基团，配合物几何构型由平面四方向四面体畸变，从而使电位提高；Cu(S-sal)2en中的S时软配体，易和Cu(I)结合，从而也提高了Cu(I)/Cu(II)的还原电位。,配体的类型和立体化学对Cu(I)/Cu(II)电位的影响，在某些含铜的蛋白质中也表现出同样的影响。在这里，高氧还电位的获得，是蛋白质用2个组氨酸的咪唑基和一个半胱氨酸的巯基侧链为配体，通过配位几何构型向平面三角形畸变来实现的。有时，尽管残基对金属不一定是配位关系，但是电位还会受金属离子周围残基具有的局部介电常数影响，这一现象和简单配合物
5、中溶剂对氧化还原电位的影响类似。,5.生物高分子的作用,在生物环境中，金属中心的热力学稳定性，不仅由金属内在的对某一氧化态的倾向性、配体组合和配位几何构型所决定，而且也由生物高分子通过它们的三维结构、控制立体化学及提供配体的能力所决定。非配体的残基对某些影响因素也有贡献：局部的亲水性或曾水性、配位部位的空间位阻、能与金属配位层中成键或非键原子相互作用以提高或降低稳定性的氢键基团等。真正想了解金属在生物体中的功能如何，必须对金属和核酸及蛋白质键合时的种种因素加以阐明。,自然界中最有效的螯合剂可能是能折叠的蛋白质链，它能给金属中心提供所需立体化学环境各种取向的氨基酸残基配体。如，牛红血球超氧化酶歧
6、化酶(Cu2Zn2SOD)中的锌结合部位，当透析脱金属后，这一结合部位还是特定的。Cu(II)占据Zn(II)位置，生成Cu2Cu2SOD，但过量的Zn（II）还可以反过来取代Cu(II)，这说明，锌在这一部位有重要的功能，这一特定部位能以某种方式，确保必需金属离子的特殊作用。,2.2 动力学要点,配体交换速率取代反应电子转移反应,1.配体交换速率,第一过渡系除了Cr3+、Co3+，其他金属离子的水交换速率都非常快。一般低电荷金属离子比高电荷金属离子与配体交换速率快，第二、第三过渡系金属配合物与第一过渡系同族对应配合物相比，动力学惰性要大的多。如，当顺铂Pt(NH3)2Cl2通过失去配体Cl-
7、和DNA结合后，即使长时间透析这一含铂的生物高分子，铂也不能被交换出来。当和螯合配体结合时，第一过渡系金属离子的配体交换速率明显减小。如，金属卟啉在动力学上相当惰性，但其轴向配体则能进行通常的快速配体交换。,很多金属卟啉中包含键合很强的金属离子，即使长时间进行对抗强螯合配体的透析，其中的金属离子也不能和游离金属离子交换。由于蛋白质的空间屏蔽作用，通常导致溶剂无法金属离子配位层，形成了这些蛋白质核心的动力学惰性，如果蛋白质由于加热或添加某一溶剂（如DMSO）使其变性，则金属常能释放出来。,2.取代反应,金属离子配位层中的一个配体被另一个配体所取代，可以有缔合或解离2种途径。配位数低的金属离子倾向
8、于进行缔合机制的配体取代反应，配位数高的则采取解离的途径。发生在蛋白质或核酸键合的金属中心的取代反应则复杂的多，其原因是进入的配体与金属中心附近的基团的相互作用，以及这些反应的偶合改变了大分子的构象。,3.电子转移反应,电子转移到过渡金属离子，或从过渡金属离子转移出来，可以用内界机理和外界机理2种反应途径来描述。内界电子转移的特点，是存在一个或多个直接与反应物配位层相连的桥式配体。如,外界电子转移反应机理中，两个氧化还原对相互接近，并和它们所缔合的溶剂分子形成所谓的“前驱配合物”，这样，电子转移反应并没有伴随氧化剂和还原剂配位层之间的配体交换。我们至今还不知道涉及一对金属蛋白间的内界电子转移反
9、应。虽然这样的内界机理不能完全排除，但要形成必需的桥联配体过渡态，蛋白质的空间位阻是很难克服的。金属蛋白分子间或分子内存在金属中心，而金属中心之间的电子转移反应是目前极受关注的课题。长程电子转移反应能以相当大的速率（10 s-1），在高达3nm的距离内发生。,2.3 生物体中金属离子的电子结构和几何结构,配位数3：平面三角，三角锥，T形配位数4：平面四方，四面体配位数5：四方锥，三角双锥配位数6：八面体,配合物d轨道配位场分裂图,2.4 配合物中配体的反应性,中心金属离子具有改变配体对外界底物反应性的能力；配位后，配体酸性通常增强，易发生水解；中心金属离子具有模板效应，促使反应物在其周围排列缩
10、合生成配体。,2.5 模型配合物和自组装概念,模型配合物：复制模型、推测模型1978年，IUPAC在日本召开的仿生化学会议上，J.M.Lehn教授首次系统地提出了超分子化学(supramolecular chemistry)的概念。根据Lehn的定义，超分子化学是研究两种以上的化学物种通过分子之间相互作用缔结形成复杂有序且具有特定功能的超分子体系的科学。其中关于分子识别的理论是超分子功能的基础。随后，科学家们在超分子化学的基础上，于80年代后期提出了自组装的概念。分子自组装(molecular selfassembly)是指分子与分子在平衡条件下，通过分子间非共价键力的作用自发地结合成稳定的分子聚集体的过程。,
