质子偶联OAT触发生物启发钼配合物中的C2H2活化

《Journal of the American Chemical Society》：Proton-Coupled OAT Triggers C2H2 Activation in a Bioinspired Molybdenum Complex

　　

理解乙炔与第VI族金属的配位作用，对于阐明钨酶乙炔水合酶（AH）长期存在的机理争议至关重要，目前已提出多种相互矛盾的途径。受近期假设机理（《Biochemistry》2025, 64, 10, 2154–2172）的启发，该机理涉及钨中心单电子氧化，研究人员探索了带有4,6-二甲基嘧啶-2-硫醇盐（PymS）配体的Mo–和W–AH模型配合物中乙炔配体的反应活性，该配体用于模拟AH活性位点富硫环境。为触发氧化还原化学并提供质子，研究人员向[MoO(C₂H₂)(PymS)₂]中添加半数当量的三甲胺-N-氧化物二水合物（TMAO·2H₂O），得到两种不同的乙烯基化产物：4,6-二甲基-1-乙烯基嘧啶-2(1H)-硫酮和4,6-二甲基-2-(乙烯基硫代)嘧啶，这两种产物可被视为乙醛替代物。在该转化中，TMAO作为氧原子供体，接受Mo(IV)的电子，并触发μ-氧桥Mo(V)二聚体的形成，该二聚体使配位的C₂H₂不稳定，促进其与邻近配体的反应。EPR光谱检测到Mo(V)物种的存在，支持该反应的自由基性质。相比之下，钨类似物中的C₂H₂配体不发生乙烯基化，这可能是由于其配体环境不能稳定+V氧化态。这些观察结果可推广至AH活性位的生物化学过程，其中W(V)氧化态更易获得。最后，本研究数据为生物乙炔水合过程中潜在的氧化还原事件提供了实验证据，并进一步表明乙炔配位对该过程至关重要。

**论文解读：质子偶联OAT触发生物启发钼配合物中的乙炔活化及其对乙炔水合酶机理的启示**

**一、研究背景与科学问题**

钼和钨作为第二、第三过渡系金属，在生物酶催化中扮演着独特角色，尤其在吡喃蝶呤二硫烯配体稳定的金属酶活性位点中展现出多样的氧化还原化学。二者能够支持单电子和双电子转移过程，这是第一过渡系金属所不具备的性质。钼酶和钨酶大多通过氧原子转移（OAT）机制运作，金属在+IV、+V和+VI氧化态之间循环。然而，乙炔水合酶（AH）是一个显著例外，其催化的乙炔水合反应表观上不涉及氧化还原过程，这一特性使其机理研究面临长期争议。目前已有多种相互矛盾的机理假说被提出，包括第一配位层乙炔配位后水亲核进攻、第二配位层对游离乙炔的进攻、钨催化的乙烯基化氨基酸残基水解，以及最新提出的涉及两个相互抵消的氧化还原事件的机理。此外，含钼的AH变体虽能催化乙炔水合，但效率仅为钨酶的十分之一。由于缺乏功能模型体系，AH的模拟研究面临重大挑战，尤其是未取代乙炔在结构类似AH活性位点的二硫烯钨化合物上的配位长期难以实现。本文作者此前的研究表明，简单的η²-乙炔亲核进攻可能不是AH催化循环的一部分，但乙炔活化模式依赖于金属氧化态。鉴于钼的乙炔加合物极为罕见，系统比较同构Mo和W配合物中乙炔结合方式的差异一直受到限制。

**二、研究内容与结论**

本研究旨在通过制备一系列带有4,6-二甲基嘧啶-2-硫醇盐（PymS）配体的钼和钨配合物，探索高氧化态金属中心对乙炔配体反应活性的影响。研究人员设计了四种新型配合物，包括两种M(II)羰基配合物[M(CO)(C₂H₂)(PymS)₂]（M = W, W1；M = Mo, Mo1）和两种M(IV)氧桥配合物[M O(C₂H₂)(PymS)₂]（W2和Mo2）。当向Mo2溶液中加入亚化学计量比的TMAO·2H₂O时，研究人员观察到乙炔配体被活化，产生N-乙烯基化产物A（4,6-二甲基-1-乙烯基嘧啶-2(1H)-硫酮）和S-乙烯基化产物B（4,6-二甲基-2-(乙烯基硫代)嘧啶），二者均可视为乙醛替代物。该反应涉及质子偶联氧原子转移（PCOAT）过程，TMAO作为氧原子供体接受Mo(IV)的电子，通过歧化反应形成μ-氧桥Mo(V)二聚体，从而削弱Mo-C₂H₂键并促进配体的亲核进攻。EPR光谱证实了Mo(V)物种的生成，支持反应的自由基性质。对照实验表明乙炔配位是乙烯基化反应的前提，而钨类似物由于难以形成μ-氧桥W(V)二聚体且更易被氧化至W(VI)，不发生乙烯基化反应。DFT计算进一步揭示了W-C₂H₂键强于对应的Mo-C₂H₂键的原因，即相对论效应使钨的6s轨道收缩和5d轨道扩展，从而改善了其与乙炔π*轨道的能量匹配和重叠。这些发现为AH活性位点可能涉及氧化还原过程提供了实验证据，并对现有非氧化还原机理提出挑战。

**三、关键技术方法**

本研究主要采用了以下关键技术方法：配合物合成与表征技术，包括单晶X射线衍射分析确定分子结构；核磁共振（NMR）波谱学方法，包括变温¹H NMR和DOSY NMR研究溶液中的动态行为和扩散系数；电子顺磁共振（EPR）波谱学检测反应中间体的自由基性质；循环伏安法（CV）测定配合物的氧化还原电位；HPLC-MS鉴定有机产物；以及DFT理论计算（PBE0-D4/def2-TZVP）分析电子结构和成键特性。

**四、研究结果**

**1. 配合物合成与表征。** 研究人员通过标准程序制备了四种新型乙炔配合物，其中W1为红紫色粉末，Mo1为薄荷绿色粉末，二者在固态下对空气稳定。NMR谱显示乙炔配体在M(II)配合物中呈非对称配位模式，¹³C NMR化学位移（200-206 ppm）表明乙炔配体表现为四电子给体。M(IV)氧桥配合物W2和Mo2中，乙炔配体的¹³C NMR化学位移显著降低（W2约156 ppm，Mo2约137 ppm），表明d²金属中心的π反馈键较弱。X射线衍射分析显示两个同晶结构的金属-氧键垂直于金属杂环丙烯部分。

**2. 亲核进攻乙炔配体。** 研究人员发现，尽管四个配合物与水反应均未检测到乙醛生成，但当向Mo2中加入亚化学计量比的TMAO·2H₂O时，24-48小时内生成了两种乙烯基化产物A和B，产率各约20%。产物B的生成首次证明了第VI族高氧化态金属可以促进硫族亲核试剂对乙炔的进攻。这一异常反应活性归因于嘧啶-2-硫醇盐配体相对于吡啶-2-硫醇盐配体中芳香氮原子的亲核性较弱，以及配体硫酮-硫烯醇互变异构的存在。

**3. 机理研究。** 对照实验表明，游离PymS盐在TMAO·2H₂O、乙炔和水存在下不发生乙烯基化，证明乙炔配位对反应至关重要。引入自由基捕获剂galvinoxyl后产物产率显著降低，表明反应涉及自由基中间体。使用不能进行氧原子转移的单电子氧化剂“magic blue”不能触发乙炔活化，证明OAT过程对反应的必要性。研究人员还合成了二氧桥配合物[MoO₂(PymS)₂]，发现其与Mo2发生歧化反应生成μ-氧桥二聚体[Mo₂O₃(PymS)₄]，该二聚体可在水中进一步反应生成乙烯基产物。EPR光谱检测到Mo(V)信号，且该信号在72小时内保持不变，排除了硫中心自由基的参与。

**4. C₂H₂配合物的计算分析。** DFT计算结果显示，W:η²-C₂H₂键强于Mo:η²-C₂H₂键，Mo2的M-C₂H₂键最弱，与其在室温溶液中的动态行为一致。L?wdin电荷分析表明钨在两个氧化态下均比钼更具正电性，乙炔碳原子上分布着显著的电子密度，但各结构中金属中心仍是最具亲电性的位点。

**五、机理意义与AH相关性**

本研究中观察到的PymS配体乙烯基化反应为理解钨酶AH的机理提供了重要参考。产物A和B均可通过水解生成乙醛（AH催化乙炔水合的产物），因此可作为乙醛替代物。研究人员提出，Mo2中的C₂H₂配体通过钼中心的单电子氧化被活化，生成瞬时的Mo(V)-C₂H₂物种，该物种π反馈键减弱，导致配位乙炔的亲电性增强。在AH活性位点中，W(IV)中心的单电子氧化与邻近水分子的质子转移偶联（PCET），触发乙炔被邻近亲核试剂（如Asp13、Cys141或水/氢氧根）进攻。W(V)中心和产生的自由基（有机中间体或吡喃蝶呤二硫烯配体）经历另一次PCET以再生活性位点并释放乙醛。

**六、研究结论**

对生物启发的钼和钨中心乙炔配体反应活性的研究表明，[MoO(C₂H₂)(PymS)₂]在O原子供体和质子存在下，其辅助嘧啶-2-硫醇盐配体发生S-和N-乙烯基化。该转化依赖于配体同时可接近硫酮和硫烯醇互变异构体的能力。尤其值得注意的是S-乙烯基化的发生，这可能在AH活性位点的富硫环境中发生，支持酶促乙炔活化可能涉及邻近基团直接官能化生成乙烯基中间体再水解为乙醛的假说。此外，研究结果强调了配体设计在生物无机AH模拟中的关键作用，特别是对金属+IV和+V氧化态的支持。PymS配体体系使钼可以同时实现两个氧化态，从而在较低氧化态实现配位、在较高氧化态实现活化；而钨类似物则绕过W(V)态直接氧化为W(VI)，不激活乙炔配体。总体而言，这些发现挑战了乙炔水合酶中无氧化还原机理的传统观点，并为氧化还原介导途径的合理性提供了实验支持。