第一作者：Alex McSkimming
通訊作者：Daniel L. M. Suess
通訊作者單位：麻省理工學(xué)院
圖1. Fe-S簇活化N2分子示意圖
生物固氮酶結(jié)構(gòu)中的Fe-S簇是維持生命，將N2還原為NH3的重要反應(yīng)，雖然人們目前在構(gòu)建固氮酶的輔酶結(jié)構(gòu)模擬中取得一些進(jìn)展，但是目前仍難以合成Fe-S簇狀結(jié)構(gòu)分子用于結(jié)合N2分子。有鑒于此，麻省理工學(xué)院Daniel L. M. Suess等報(bào)道一種配體修飾[MoFe3S4]簇結(jié)構(gòu)，配體起到保護(hù)Fe位點(diǎn)與N2分子結(jié)合穩(wěn)定性的作用。在該結(jié)構(gòu)形成的 [MoFe3S4]2(μ-η1:η1-N2)中，N-N鍵的強(qiáng)度得以顯著降低。進(jìn)一步的，作者將其中一個(gè)[MoFe3S4]簇替換為帶正電荷的Ti金屬自由基，將導(dǎo)致更多的電荷轉(zhuǎn)移，生成Fe-N多重鍵，因此N2分子在更高程度得以活化和極化。作者通過結(jié)構(gòu)表征、譜學(xué)分析，展示了N2活化過程中Fe-S鍵長降低、電荷從Fe原子上轉(zhuǎn)移（包括未直接配位的Fe原子）。本文研究結(jié)果展示了簇結(jié)構(gòu)的共價(jià)相互作用在活化N2分子中的重要作用，說明活化N2分子的過程中團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的重要性，從而通過電子相互作用，對N2分子產(chǎn)生更加有效的活化。
背景
地球大氣氣氛中78 %的成分為N2，氮?dú)夥肿踊瘜W(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，很難在合成過程中直接形成生物質(zhì)分子，具有固氮能力的有機(jī)體通過固氮酶實(shí)現(xiàn)將大氣氣氛中的N2轉(zhuǎn)化為NH3。固氮酶輔酶簇狀結(jié)構(gòu)中含有Fe、S、C、Mo幾種元素，大量的生物化學(xué)研究、譜學(xué)表征、結(jié)構(gòu)表征對其中的中間體結(jié)構(gòu)、抑制劑結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，在這些研究中發(fā)現(xiàn)至少一個(gè)Fe原子參與N2還原反應(yīng)。目前人們成功表征了MoFe蛋白與含N2-衍生分子結(jié)合的結(jié)構(gòu)。但是目前FeMoco結(jié)構(gòu)捕獲N2分子的相關(guān)結(jié)構(gòu)仍難以進(jìn)行表征，在大量的相關(guān)研究中，雖然得到了Fe-N2、Mo-N2復(fù)合物，但是仍未實(shí)現(xiàn)對Fe-S簇的N2加合物結(jié)構(gòu)表征。
圖2. 結(jié)合N2分子的新策略
位阻型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
作者發(fā)現(xiàn)N2結(jié)合到FeMoco和結(jié)合到過渡金屬復(fù)合物分子上的區(qū)別之處在于，N2結(jié)合到FeMoco上通常在結(jié)構(gòu)累積了多個(gè)質(zhì)子和電子后才能夠?qū)崿F(xiàn)，同時(shí)相關(guān)研究結(jié)果顯示質(zhì)子化硫化物從簇結(jié)構(gòu)中離去，暴露了位點(diǎn)才能夠?qū)崿F(xiàn)N2結(jié)合。
除了質(zhì)子化硫化物離去暴露N2配位點(diǎn)，仍不足以實(shí)現(xiàn)N2與Fe-S簇的結(jié)合。反而，當(dāng)硫化物離去后形成的開放配位點(diǎn)Fe-S簇結(jié)構(gòu)表現(xiàn)更高的原子核密度（nuclearity），導(dǎo)致容易兩個(gè)簇之間進(jìn)一步相互反應(yīng)，從而暴露的活性位點(diǎn)消除。這種現(xiàn)象在MoFe蛋白的FeMoco中能夠避免，因?yàn)镕e-S簇是固定在蛋白上。因此，通過將Fe-S簇修飾在立體位阻配體保護(hù)的結(jié)構(gòu)中，有效的克服了催化劑自身副反應(yīng)。促進(jìn)了與N2分子的結(jié)合。
通過這種方法，作者首次報(bào)道了合成Fe-S簇與N2結(jié)合形成的[MoFe3S4]2(μ-η1:η1-N2)分子，通過結(jié)構(gòu)、光譜學(xué)表征揭示了Fe-S簇結(jié)構(gòu)在活化N2分子中的作用。
配體修飾的Fe-S簇合成
圖3. 合成Fe-S簇及其對N2分子的活化
參考相關(guān)文獻(xiàn)，在[Ph4P][Cp*MoFe3S4Cl3]、大體積配體雙芳基卡賓IPr之間進(jìn)行反應(yīng)，將MoFe3S4簇結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)Fe-Cl轉(zhuǎn)變?yōu)榭ㄙe結(jié)合配體Fe-IPr，生成[Cp*MoFe3S4(IPr)2]Cl（1）。隨后利用剩余的1個(gè)Fe-Cl通過Li活化，與N2反應(yīng)，構(gòu)建MoFe3S4與N2的加合物分子[Cp*MoFe3S4(IPr)2]N2[Cp*MoFe3S4(IPr)2]（2）。
[FeMo3S4]N2加合物
作者發(fā)現(xiàn)合成的2號N2加合物分子具有突出特點(diǎn)，2號分子是迄今為止有報(bào)道的Fe-S簇N2加合物。通過FTIR測試發(fā)現(xiàn)1830 cm-1的N-N振動，說明2號分子中的N2分子得到較高程度的活化。
雖然卡賓IPr配體的體積比較大，仍然面臨著無法有效穩(wěn)定N2加合物分子的問題，因此作者嘗試通過(C5(Me)4SiMe3)2Ti與[MoFe3S4]簇配合構(gòu)建更加穩(wěn)定的N2加合物。(C5(Me)4SiMe3)2Ti能夠同時(shí)作為電子供體、Lewis酸捕獲分子，從而得到[Cp*MoFe3S4(IPr)2]N2Ti(C5(Me)4SiMe3)2加合物3號分子。作者通過ESR表征，發(fā)現(xiàn)3號分子中 [Cp*MoFe3S4(IPr)2(N2)]–以雙自旋狀態(tài)與S=1/2的[(C5(Me)4SiMe3)2Ti3+]+結(jié)合。通過FTIR對3號分子進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)1768 cm-1較低的N-N振動頻率，驗(yàn)證了N-N鍵得以顯著弱化。作者通過鍵長分析發(fā)現(xiàn)Fe-N鍵呈共價(jià)結(jié)構(gòu)的多重化學(xué)鍵。
總結(jié)
作者展示了通過設(shè)計(jì)Fe-S簇合物分子的配體結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了兩個(gè)Fe-S簇合物與一個(gè)N2分子形成的配合物，在配合物中N2分子的NN鍵得到顯著活化。當(dāng)使用Fe-S簇合物、Ti-金屬有機(jī)自由基與N2分子結(jié)合，N2分子的NN鍵得以進(jìn)一步活化和極化，因此Fe-N配位鍵表現(xiàn)多重鍵特征，F(xiàn)e-N鍵的π鍵、N-N反鍵π軌道產(chǎn)生電子分布，這些電子來自于Fe-S簇中的Fe原子。這種現(xiàn)象說明Fe-S簇活化N2分子的過程中，F(xiàn)e-Fe、Fe-S相互作用起到的關(guān)鍵作用。作者在目前的研究中發(fā)現(xiàn)Fe-S簇結(jié)構(gòu)中的Mo原子在結(jié)合N2前后沒有顯著的結(jié)構(gòu)變化，但是認(rèn)為需要進(jìn)一步的通過實(shí)驗(yàn)、理論計(jì)算模擬對Mo-Fe鍵的共價(jià)結(jié)構(gòu)在活化N2分子中起到的作用進(jìn)行進(jìn)一步深入研究。
此外，作者在本文中的Fe-S簇結(jié)構(gòu)構(gòu)建中并未使用卡拜配體，因此說明卡拜配體并不是Fe-S簇用于活化N2分子所必須的條件，展示了新型結(jié)構(gòu)簡單的Fe-S簇固氮結(jié)構(gòu)具有廣闊的發(fā)展前景。
參考文獻(xiàn)及原文鏈接
Alex McSkimming & Daniel L. M. Suess, Dinitrogen binding and activation at a molybdenum–iron–sulfur cluster, Nat. Chem. (2021).
DOI: 10.1038/s41557-021-00701-6
https://www.nature.com/articles/s41557-021-00701-6
