配体修饰，成就一篇Nature Chemistry！

催化计

2021-06-07

第一作者：Alex McSkimming

通讯作者：Daniel L. M. Suess

通讯作者单位：麻省理工学院

图1. Fe-S簇活化N₂分子示意图

生物固氮酶结构中的Fe-S簇是维持生命，将N₂还原为NH₃的重要反应，虽然人们目前在构建固氮酶的辅酶结构模拟中取得一些进展，但是目前仍难以合成Fe-S簇状结构分子用于结合N₂分子。有鉴于此，麻省理工学院Daniel L. M. Suess等报道一种配体修饰[MoFe₃S₄]簇结构，配体起到保护Fe位点与N₂分子结合稳定性的作用。在该结构形成的 [MoFe₃S₄]₂(μ-η¹:η¹-N₂)中，N-N键的强度得以显著降低。进一步的，作者将其中一个[MoFe₃S₄]簇替换为带正电荷的Ti金属自由基，将导致更多的电荷转移，生成Fe-N多重键，因此N₂分子在更高程度得以活化和极化。作者通过结构表征、谱学分析，展示了N₂活化过程中Fe-S键长降低、电荷从Fe原子上转移（包括未直接配位的Fe原子）。本文研究结果展示了簇结构的共价相互作用在活化N₂分子中的重要作用，说明活化N₂分子的过程中团簇结构的重要性，从而通过电子相互作用，对N₂分子产生更加有效的活化。

背景

地球大气气氛中78 %的成分为N₂，氮气分子化学性质非常稳定，很难在合成过程中直接形成生物质分子，具有固氮能力的有机体通过固氮酶实现将大气气氛中的N₂转化为NH₃。固氮酶辅酶簇状结构中含有Fe、S、C、Mo几种元素，大量的生物化学研究、谱学表征、结构表征对其中的中间体结构、抑制剂结构进行研究，在这些研究中发现至少一个Fe原子参与N₂还原反应。目前人们成功表征了MoFe蛋白与含N₂-衍生分子结合的结构。但是目前FeMoco结构捕获N₂分子的相关结构仍难以进行表征，在大量的相关研究中，虽然得到了Fe-N₂、Mo-N₂复合物，但是仍未实现对Fe-S簇的N₂加合物结构表征。

图2. 结合N₂分子的新策略

位阻型结构设计

作者发现N₂结合到FeMoco和结合到过渡金属复合物分子上的区别之处在于，N₂结合到FeMoco上通常在结构累积了多个质子和电子后才能够实现，同时相关研究结果显示质子化硫化物从簇结构中离去，暴露了位点才能够实现N₂结合。

除了质子化硫化物离去暴露N₂配位点，仍不足以实现N₂与Fe-S簇的结合。反而，当硫化物离去后形成的开放配位点Fe-S簇结构表现更高的原子核密度（nuclearity），导致容易两个簇之间进一步相互反应，从而暴露的活性位点消除。这种现象在MoFe蛋白的FeMoco中能够避免，因为Fe-S簇是固定在蛋白上。因此，通过将Fe-S簇修饰在立体位阻配体保护的结构中，有效的克服了催化剂自身副反应。促进了与N₂分子的结合。

通过这种方法，作者首次报道了合成Fe-S簇与N₂结合形成的[MoFe₃S₄]₂(μ-η¹:η¹-N₂)分子，通过结构、光谱学表征揭示了Fe-S簇结构在活化N₂分子中的作用。

配体修饰的Fe-S簇合成

图3. 合成Fe-S簇及其对N₂分子的活化

参考相关文献，在[Ph₄P][Cp*MoFe₃S₄Cl₃]、大体积配体双芳基卡宾IPr之间进行反应，将MoFe₃S₄簇结构中的两个Fe-Cl转变为卡宾结合配体Fe-IPr，生成[Cp*MoFe₃S₄(IPr)₂]Cl（1）。随后利用剩余的1个Fe-Cl通过Li活化，与N₂反应，构建MoFe₃S₄与N₂的加合物分子[Cp*MoFe₃S₄(IPr)₂]N₂[Cp*MoFe₃S₄(IPr)₂]（2）。

[FeMo₃S₄]N₂加合物

作者发现合成的2号N₂加合物分子具有突出特点，2号分子是迄今为止有报道的Fe-S簇N₂加合物。通过FTIR测试发现1830 cm^-1的N-N振动，说明2号分子中的N₂分子得到较高程度的活化。

虽然卡宾IPr配体的体积比较大，仍然面临着无法有效稳定N₂加合物分子的问题，因此作者尝试通过(C₅(Me)₄SiMe₃)₂Ti与[MoFe₃S₄]簇配合构建更加稳定的N₂加合物。(C₅(Me)₄SiMe₃)₂Ti能够同时作为电子供体、Lewis酸捕获分子，从而得到[Cp*MoFe₃S₄(IPr)₂]N₂Ti(C₅(Me)₄SiMe₃)₂加合物3号分子。作者通过ESR表征，发现3号分子中 [Cp*MoFe₃S₄(IPr)₂(N₂)]^–以双自旋状态与S=1/2的[(C₅(Me)₄SiMe₃)₂Ti³⁺]⁺结合。通过FTIR对3号分子进行表征，发现1768 cm^-1较低的N-N振动频率，验证了N-N键得以显著弱化。作者通过键长分析发现Fe-N键呈共价结构的多重化学键。

总结

作者展示了通过设计Fe-S簇合物分子的配体结构，构建了两个Fe-S簇合物与一个N₂分子形成的配合物，在配合物中N₂分子的NN键得到显著活化。当使用Fe-S簇合物、Ti-金属有机自由基与N₂分子结合，N₂分子的NN键得以进一步活化和极化，因此Fe-N配位键表现多重键特征，Fe-N键的π键、N-N反键π轨道产生电子分布，这些电子来自于Fe-S簇中的Fe原子。这种现象说明Fe-S簇活化N₂分子的过程中，Fe-Fe、Fe-S相互作用起到的关键作用。作者在目前的研究中发现Fe-S簇结构中的Mo原子在结合N₂前后没有显著的结构变化，但是认为需要进一步的通过实验、理论计算模拟对Mo-Fe键的共价结构在活化N₂分子中起到的作用进行进一步深入研究。

此外，作者在本文中的Fe-S簇结构构建中并未使用卡拜配体，因此说明卡拜配体并不是Fe-S簇用于活化N₂分子所必须的条件，展示了新型结构简单的Fe-S簇固氮结构具有广阔的发展前景。

参考文献及原文链接

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