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Angew. Chem.最新成果:金属催化过氧亚硝酸盐分解机理

Angew. Chem.最新成果:金属催化过氧亚硝酸盐分解机理

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【研究背景】

Angew. Chem.最新成果:金属催化过氧亚硝酸盐分解机理

NO可以作为信号传导因子,在人体免疫反应中起到重要的作用,同时它还是地球氮循环中的重要中间体。当NO浓度高达~μM级时,就会使人体中毒,其衍生物可导致蛋白质、脂质和核酸的氧化和硝化。吞噬细胞利用NO与其他活性氮氧化合物(如O2•-,H2O2和NO2-)的毒性作为对抗入侵微生物的工具。然而,在金属离子(尤其是铜离子)的存在下,吞噬细胞会会毒。作为一种杀菌剂,铜破坏活性N和O的机理尚不明确,这与巨噬细胞中的铜含量之间有何关系也仍是一个未解之谜。

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【成果简介】

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近期,美国约翰霍普金斯大学的Kenneth D. Karlin教授与俄勒冈健康与科学大学Pierre Moënne-Loccoz教授合作在Angewandte Chemie International Edition上发表题为“Direct Resonance Raman Characterization of a Peroxynitrito Copper Complex Generated from O2 and NO and Mechanistic Insights into Metal Mediated Peroxynitrite Decomposition”的文章。该文报道了一种新的过氧亚硝酸铜络合物[CuII(TMG3tren)(k1-OONO)]+(PN1),该络合物是由[CuII(TMG3tren)( O2.-)]+与NO(g)在-125 ºC下反应生成。第一共振拉曼光谱表明这种金属结合的PN是顺式k1-O, O,-(ONOO)结构。PN1可以在加热条件下转化为具有k2-O, O,-(ONOO)配位的异构形式(PN2),经历O-O键均裂以产生特定的铜基(LCuII-O)中间体和NO2。这些中间产物不会生成硝酸根(NO3)产物,而是发生化学氧化形成Cu(II)-NO2络合物。

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【图文导读】

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方案1超氧化物和一氧化氮形成过氧亚硝酸盐:通过金属离子配位理解过氧亚硝酸盐的分解机理

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方案2  NO加成到络合物1产生PN1,PN1热转化形成PN2

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研究金属离子配位的过氧亚硝酸盐具有重要意义,这是由于金属离子在调控NO和O2的反应中所起到的作用可能是影响生理中过氧亚硝酸盐的形成和转化的重要因素。该转化反应可以按两种不同方案进行:方案1. 过氧亚硝酸盐以顺式、反式两种异构体存在,在质子化或在CO2存在的条件下,过氧亚硝酸盐会生成硝酸盐或自由扩散的自由基,如NO2HO和CO3•-。研究表明,过氧亚硝酸盐水溶液的主要的衰变途径是异构化形成硝酸盐;方案2. 在-80 ºC下将NO加入[CuII(TMG3tren)(O2.-)]+形成铜-过氧化亚硝酸盐络合物[CuII(TMG3tren)(k2-O, O’-OONO)]+(PN2)。分析发现,过氧亚硝酸盐络合物在PN1之前形成。

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图1  -125 ℃时,在MeTHF中加入NO(MeTHF)至0.15 mM。30分钟内观察到其完全转换为PN1

在方案2中,PN1由NO加入2-甲基四氢呋喃NO(MeTHF)中产生,在-125 ℃下生成1。通过如图1所示的紫外-可见光谱发现,在448、679和791 nm处,超氧化铜逐渐减少,在310 nm和1000 nm处分别发现强的电子跃迁和弱d-d跃迁。根据报道,位于310 nm的吸收峰来自碱金属离子或铵根离子与过氧亚硝酸盐形成的有机-金属络合物。

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图2  1、PN1和拟合PN1的EPR谱

通过EPR光谱可以监测PN1的形成。如图2所示,向1中添加NO(MeTHF)导致EPR信号的产生。通过Job曲线对EPR数据进行定量分析,发现当Cu与NO的摩尔比为1:1时,能形成最丰富的PN1。

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图3 由O214N16O或18O215N18O产生的PN1的RR光谱

表1 利用同位素标记得到PN1的RR频率及顺式、反式的计算频率

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如图3所示,PN1的RR谱揭示了铜基亚硝酸盐的拉伸和弯曲模式特征。最高强度特征峰位于658 cm-1,RR信号的半高宽(FWHM)为29 cm-1,这与顺式过亚硝酸根位于642 cm-1的宽拉曼峰一致。用18O215N18O标记时,分别较658 cm-1移动-26和-9 cm-1,表现出显著的O-N拉伸特性。否则,其将分配给自由离子变形(如表1所示)。根据胡克定律,观察到的位移与O-N键(-29.5 cm-118O-15N,-17 cm-118O-N,-12 cm-1的O-15N)的变化相匹配。DFT分析也支持将O-N拉伸与O-ON=O弯曲相结合。位于1545 cm-1的特征峰来自过氧亚硝酸盐V(N=O)的拉伸振动。而位于929 cm-1的特征峰受到O2(△18O2=-29 cm-1)的强烈影响,NO(△15N18O=-17 cm-1)峰来自O-N=O的弯曲振动和O-O的拉伸振动。此外,位于812 cm-1的吸收带可以归因于另一种混合振动模式,该模式结合了O-O的拉伸振动与OO-N=O的平面变形。中等强度的1282 cm-1信号,在加入过氧亚硝基基团后移动了-60 cm-1

为了进一步阐述RR数据,研究者通过DFT计算预测了PN1的结构。铜EPR信号的反向轴表示三角双锥体铜。基于过氧亚硝酸盐配体,在顺式或反式的约束条件下,计算了两种可能的结构。结果表明,顺式铜过氧化物异构体(4.1 kcal/mol)是更稳定的异构体。计算得到的拉曼光谱与实验结果相匹配,在中频范围内观察到最高拉曼振动,具有显著的O-N拉伸特性。该模式的计算频率在顺-PN中为708 cm-1,在反-PN构象中为845 cm-1,前者与观察到的658 cm-1匹配得更好。类似地,顺式PN的V(O-O)和V(N=O)的振动频率比反式-PN的匹配程度更好。实际上,如方案2中所示,RR数据支持PN1中过氧亚硝酸盐配体的顺式几何结构。

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图4 PN1到PN2在-98ºC下的转换以及PN1和PN2的形态随时间变化的趋势。

当在-80 ℃下加入NO时,得到轴向的EPR谱,形成过氧亚硝酸盐中间体[CuII(TMG3tren)(k2-O, O’-OONO)]+(PN2)。如上所述,在-125 ℃下,PN1呈现出反向轴几何形状,在中间温度-98 ℃加入可以观察到PN1转换为PN2。如图4,从反向轴向到轴向EPR信号的转换反映了铜几何中心从三角双锥形到方形金字塔形的变化。这种变化导致四甲基胍(TMG)的连接,允许其适应四边形金字塔构型。60分钟后的EPR谱显示出两个轴向Cu信号,其来自于PN2部分分解得到的Cu-亚硝酸盐产物。进一步升温至-60 ℃后,PN2衰变成含铜亚硝酸盐[CuII(TMG3tren)(k2-O, O’-OONO)]+(PN2)。EPR谱表明铜保持四方配位的几何构型,紫外-可见吸收光谱表明产物2的产率为95±4%,经Griess测定得到亚硝酸盐的产率为75±2%。PN2向CuII-NO2的转化动力学表明该反应对Cu而言是总一级反应,与单分子衰变的规律一致。

方案3

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PN2经热转化生成的高产量Cu-NO2与[CuII(TMG3tren)( O2.-)]+和NO2中间体反应得到过氧亚硝酸盐并随后发生O-O键均裂生成的产物相一致。如方案1,这些自由基的重组不会产生Cu-硝酸盐产物。假定铜基中间体通过自由基继续羟基化,在LCuI与NO2反应之前得到LCuI和R-OH(R=溶剂),最终得到LCuII-(NO2)。为了验证这一假设,研究人员加入过量的2,4-二叔丁基苯酚(DTBP)形成2和偶联的双酚产物3,3’,5,5′-四叔丁基-[1,1′-联苯]-2,2′-二醇。按照方案3,通过LCuII-O和NO2连续抽出氢原子,在配体交换得到LCuII-OH和HNO2前得到LCuII-NO2和H2O,可以使苯氧基偶联得到二醇。

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【小结】

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该工作首次合成了过渡金属-过氧亚硝酸盐络合物,并用共振拉曼光谱进行表征。与顺式过氧亚硝酸烷基铵的拉曼数据比较并结合拉曼计算结果,发现过氧亚硝基配体与顺式异构体中的铜离子配位。过氧亚硝酸盐络合物的热转化导致O-O均裂和LCu-O及NO2的生成,并在此基础上进一步氧化。这有利于理解过渡金属离子在氧化和硝化反应中起到的作用,及其在生理学过程中的重要影响。

【文献信息】

Direct Resonance Raman Characterization of a Peroxynitrito opper Complex Generated from O2 and NO and Mechanistic nsights into Metal Mediated Peroxynitrite Decomposition (Angewandte Chemie International Edition, 2019. DOI: 10.1002/ange.201904672)

文献链接:

http://dx.doi.org/10.1002/anie.201904672

供稿丨深圳市清新电源研究院

部门丨媒体信息中心科技情报部

撰稿人丨隐耀潜行 

主编丨张哲旭


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