人工非ヘム鉄酵素:合目的配位子デザインによる高原子価活性種の生成と基質酸化の制御

人工非血红素铁酶：通过有目的的配体设计产生高价活性物质并控制底物氧化

基本信息

批准号：
14750679
负责人：
人見穣
金额：
$ 2.18万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2002
资助国家：
日本
起止时间：
2002 至 2004
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では合目的配位子デザインにより人工非ヘム鉄酵素の構築を目指した。研究の前半では、鉄3価イオンを活性中心に有し、分子状酸素を用いてカテコールを開裂する非ヘム鉄酵素であるカテコールジオキシゲナーゼに着目した。(1)新規水溶性非ヘム鉄錯体を用いて水溶液中におけるカテコールの酸素添加開裂反応を可能にし、pH依存性等の反応機構に関わる因子を明らかにした。(2)種々の置換基を有するカテコール配位子から一連の非ヘム鉄錯体を調製し、電子状態に対するカテコール配位子上の置換基効果を詳細に検討した。これらの錯体と酸素分子との反応速度の対数が、カテコールから鉄(III)イオンへの電荷移動エネルギーと良好な直線関係を示すことを初めて明らかにした。この結果を基に、鉄2価セミキノン励起状態が関与し、鉄3価イオン上で酸素分子が活性化される新しいカテコールジオキシゲナーゼの反応機構を提唱した。(3)一方、電子吸引性基を有する窒素4座配位子を有する錯体では低スピン状態が誘起されることが判明した。これらの低スピン錯体種は高スピン錯体種に比べ著しく反応性が低いことが明らかとなった。(4)鉄3価イオン上で酸素分子が活性化を促進するため、空配位座を有する鉄3価カテコール錯体をデザインしたところ、酸素分子と迅速に反応するだけでなく、比較的安定な酸素錯体を形成することが明らかとなった。更に、酸素錯体の形成が可逆過程であることを明らかにした。(5)一方、マンガン2価セミキノン錯体は分子状酸素と反応し、定量的にキノンとマンガン2核(III,III)ビス-mu-オキソ錯体を形成した。また、この2核マンガン錯体の溶液にカテコールを加えたところ、マンガン2価セミキノン錯体が再生した。これらを基に、高効率のカテコール酸化触媒システムを構築することに成功した。反応機構を詳細に検討した結果、本システムは従来のカテコール酸化反応と異なり、分子状酸素を水に還元することが判明した。

在本研究中，我们旨在通过靶向配体设计构建人工非血红素铁酶。在研究的前半部分，我们重点关注儿茶酚双加氧酶，这是一种非血红素铁酶，以三价铁离子为活性中心，利用分子氧裂解儿茶酚。 (1)我们利用新型水溶性非血红素铁络合物实现了儿茶酚在水溶液中的氧化裂解反应，并阐明了反应机理中涉及的因素，例如pH依赖性。 (2)以具有不同取代基的儿茶酚配体为原料制备了一系列非血红素铁配合物，并详细研究了儿茶酚配体上的取代基对电子态的影响。首次揭示这些配合物与氧分子之间的反应速率的对数与儿茶酚到铁(III)离子的电荷转移能呈现良好的线性关系。基于这一结果，我们提出了儿茶酚双加氧酶的新反应机制，其中涉及铁二价半醌的激发态，并且氧分子在三价铁离子上被激活。 (3)另一方面，发现在含有具有吸电子基团的四齿氮配体的络合物中诱导低自旋态。发现这些低自旋复杂物质的反应性明显低于高自旋复杂物质。 (4)由于氧分子促进三价铁离子的活化，因此我们设计了具有空配位点的三价儿茶酚铁络合物，结果表明形成了氧络合物。此外，我们证明氧配合物的形成是一个可逆过程。 (5)另一方面，锰二价半醌配合物与分子氧反应，与醌定量形成锰双核(III,III)双-mu-氧配合物。此外，当将儿茶酚添加到该双核锰络合物的溶液中时，锰二价半醌络合物再生。在此基础上，我们成功构建了高效的儿茶酚氧化催化剂体系。对反应机理的详细研究表明，与传统的儿茶酚氧化反应不同，该系统将分子氧还原成水。