一类含功能化膦配体的铁铁氢化酶模型物及其制备方法与流程

本发明属于金属有机，能源和材料科学领域，特别是一类含功能化膦配体的铁铁氢化酶模型物及其制备方法。

背景技术：

解决能源匮乏和环境污染是当今人类社会所面临的重大挑战之一。尽管氢气是一种具有高燃烧值和可再生的清洁燃料，但至今尚无一种基于廉价金属的高效催化剂，用它可以实现工业化催化水中的质子产生氢气。铁铁氢化酶是一种存在于微生物体内并能高效催化质子还原为氢气的金属酶。近年来，科学家们对铁铁氢化酶活性中心结构和功能模拟进行了广泛深入的研究，以期合成一种理想的“人工酶”产氢催化剂，参见：Darensbourg,M.Y.；Lyon,E.J.；Smee,J.J.Coord.Chem.Rev.2000,206-207,533-561；Frey,M.ChemBioChem 2002,3,153-160；Song,L.-C.Acc.Chem.Res.2005,38,21-28；Capton,J.-F.；Gloaguen,F.；Pétillon,F.Y.；Schollhammer,P.；Talarmin,J.Coord.Chem.Rev.2009,253,1476-1494；Lubitz,W.；Ogata,H.；Rüdiger,O.；Reijerse,E.Chem.Rev.2014,114,4081-4148。

为了研发廉价金属铁的高效“人工酶”产氢催化剂，人们已成功地将几种具有给电子能力的水溶性膦配体引入到[2Fe2S]子簇结构中，从而合成了几例含亲水性膦配体的铁铁氢化酶模型物。这些亲水性膦配体可以增加含[2Fe2S]子簇结构模型物在水中的溶解性，从而有效地提高其催化产氢功能，参见：Mejia-Rodiguez,R.；Chong,D.；Reibenspies,J.H.；Soriaga,M.P.；Darensbourg,M.Y.J.Am.Chem.Soc.2004,126,12004-12014；Vannucci,A.K.；Wang,S.；Nichol,G.S.；Lichtenberger,D.L.；Evans,D.H.；Glass,R.S.Dalton.Trans.2010,39,3050-3056；Roy,S.；Nguyen,T.-A.D.；Gan,L.；Jones,A.K.Dalton.Trans.2015,44,14865-14876。

鉴于到目前为止，含双羟甲基、羟甲基/乙酸甲酯基、双乙酸甲酯基及对羟基苯基功能化膦配体的铁铁氢化酶模型物尚未被合成，因此为了更好地提高铁铁氢化酶模型物的水溶性和催化产氢功能，我们通过羰基配体取代反应将上述含亲水性基团的膦配体引入到铁铁氢化酶模型物的[2Fe2S]催化中心骨架上，合成了一系列结构新颖并具有潜在优良催化产氢功能的铁铁氢化酶模型物。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述技术分析，提供一类含功能化膦配体的铁铁氢化酶模型物及其制备方法，该类模型物中的[2Fe2S]催化中心连有亲水性基团功能化的膦配体；模型物合成方法简便、反应条件温和、易操作，可用来制备多种含功能化膦配体的铁铁氢化酶模型物。

本发明的技术方案：

一类含功能化膦配体的铁铁氢化酶模型物，该模型物中的[2Fe2S]催化中心连有亲水性基团功能化的膦配体，其化学结构式如下所示：

结构式中：R为氢或羟甲基(CH₂OH)，L为双羟甲基苯膦[PhP(CH₂OH)₂]、羟甲基/乙酸甲酯基苯膦[PhP(CH₂OH)(CH₂CO₂Me)]、双乙酸甲酯基苯膦[PhP(CH₂CO₂Me)₂]或对羟基苯基二苯基膦[Ph₂P(C₆H₄OH-p)]。

一类所述含功能化膦配体的铁铁氢化酶模型物的制备方法，步骤如下：

1)氮气保护下，将[(μ-SCH₂(CHR)CH₂S-μ)]Fe₂(CO)₆和有机溶剂混合，然后加入膦配体，在室温下搅拌0.5-12h或加热回流30h，TLC检测原料基本反应完，得到初级产物；

2)将上述初级产物减压抽干溶剂，用有机溶剂提取残余物，然后用混合溶剂为展开剂进行薄层色谱分离，得到一级目标化合物。

3)氮气保护下，将丙二酸、4-二甲氨基吡啶(DMAP)和二环己基碳二亚胺(DCC)置于冰水浴降至0℃，加入CH₂Cl₂，搅拌2h后，一次性加入上述一级目标化合物，撤去冰水浴自然升至室温，继续搅拌6h，TLC监测原料点基本消失，得到二级产物；

4)将上述二级产物减压抽干，用CH₂Cl₂提取残余物，用混合溶剂作为展开剂进行薄层色谱分离，得二级目标化合物。

所述步骤1)中有机溶剂为四氢呋喃或MeCN，[(μ-SCH₂(CHR)CH₂S-μ)]Fe₂(CO)₆、有机溶剂与膦配体的用量比为1.0mmol:16-40mL:1.1-2.4mmol。

所述步骤2)中有机溶剂为EtOAc或CH₂Cl₂，混合溶剂为体积比为1:1-1.5的石油醚-EtOAc混合溶剂或体积比为1:2的石油醚-CH₂Cl₂混合溶剂。

所述步骤3)中丙二酸、4-二甲氨基吡啶(DMAP)、二环己基碳二亚胺(DCC)、CH₂Cl₂与一级目标化合物的用量比为0.46mmol:0.56mmol:1.06mmol:20mL:0.23-0.46mmol。

所述步骤4)中混合溶剂为体积比为2:3的石油醚-CH₂Cl₂混合溶剂。

本发明的有益效果是：利用该方法制备含功能化膦配体的铁铁氢化酶模型物，原料易得、条件温和、操作简便，适合于多种功能化膦配体的铁铁氢化酶模型物的制备，并且该类模型物具有潜在的优良催化产氢能力。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面将通过具体的实施例进一步说明本发明的方案，但本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，不限于此。

实施例1：

一类含功能化膦配体的铁铁氢化酶模型物1的制备方法，所述模型物1的化学式为[{(μ-SCH₂)₂CH₂}Fe₂(CO)₄][PhP(CH₂OH)₂]₂，制备过程如下所示：

具体制备步骤如下：

1)在氮气保护下，向装有搅拌磁子的50mL Schlenk烧瓶中依次加入386mg(1.0mmol)[(μ-SCH₂)₂CH₂]Fe₂(CO)₆和30mL四氢呋喃，得红棕色溶液；

2)在室温和氮气保护下，用一次性注射器将408mg(2.4mmol)PhP(CH₂OH)₂稠状物直接滴加到红棕色溶液中，加热回流30h，得黑红色溶液，TLC监测原料点基本消失；

3)减压抽干溶剂，用EtOAc提取残余物，用石油醚/EtOAc＝1:1(v/v)作为展开剂进行薄层色谱分离，收集红棕色主色带，减压抽干得红棕色油状物，向其加入少量CH₂Cl₂后真空减压抽干，得到红棕色固体模型物1(135mg)，产率20％。

产物结构数据表征如下：IR(KBr disk):ν_O-H:3311(m)；ν_C≡O:1988(vs),1950(vs),1916(vs)cm^-1.¹H NMR(400MHz,CDCl₃):1.41-1.64(m,6H,CH₂CH₂CH₂),2.63(br.s,4H,4OH),4.61(br.s,8H,4CH₂O),7.47,7.78(2br.s,10H,2C₆H₅)ppm.¹³C NMR(100MHz,CDCl₃):22.5,30.0(2s,CH₂CH₂CH₂),62.9,63.2(2s,CH₂O),129.0-131.8(m,C₆H₅),214.5,214.6(2s,C≡O)ppm.³¹P NMR(162MHz,CDCl₃):55.3(s)ppm.

实施例2：

一类含功能化膦配体的铁铁氢化酶模型物2的制备方法，所述模型物2的化学式为[{(μ-SCH₂)₂CHCH₂OH}Fe₂(CO)₅][PhP(CH₂OH)₂]，制备过程如下所示：

具体制备步骤如下：

1)在氮气保护下，向装有搅拌磁子的50mL Schlenk烧瓶中依次加入374mg(0.9mmol)[(μ-SCH₂)₂CHCH₂OH]Fe₂(CO)₆和15mL四氢呋喃，得红色溶液；

2)在室温和氮气保护下，用一次性注射器将170mg(1.0mmol)PhP(CH₂OH)₂稠状物直接滴加到红色溶液中，室温搅拌过夜，得红棕色溶液，TLC监测有一明显的红色新点出现并有少量原料红点斑点存在；

3)减压抽干溶剂，用EtOAc提取残余物，用石油醚/EtOAc＝2:3(v/v)作为展开剂进行薄层色谱分离，收集红色主色带，减压抽干得红色油状物，向其加入少量无水乙醚后真空减压抽干，得到红色固体模型物2(113mg)，产率39％。(注：回收原料红色固体156mg)

产物结构数据表征如下：IR(KBr disk):ν_O-H:3448(m)；ν_C≡O:2041(vs),1978(vs),1926(m)cm^-1.¹H NMR(400MHz,CD₃COCD₃):1.11-1.21(m,1H,CH₂CHCH₂),1.43(t,J_HH＝J'_HH＝12.8Hz,2H,2SCH_eH_a),2.42(dd,J_HH＝12.8Hz,J'_HH＝3.2Hz,2H,2SCH_eH_a),3.09(s,2H,CHCH₂O),3.67(br.s,1H,CHCH₂OH),4.59,4.70(2d,J_HH＝12.8Hz,4H,P(CH₂O)₂),4.85(br.s,2H,P(CH₂OH)₂),7.45-7.88(m,5H,C₆H₅)ppm.¹³C NMR(100MHz,CD₃COCD₃):27.2(s,SCH₂),46.8(s,CH),62.1,62.5(2s,PCH₂O),66.6(s,CHCH₂O),129.2-134.1(m,C₆H₅),211.1,211.7,214.7,214.8(4s,C≡O)ppm.³¹PNMR(162MHz,CD₃COCD₃):56.3(s)ppm.

实施例3：

一类含功能化膦配体的铁铁氢化酶模型物3的制备方法，所述模型物3的化学式为[{(μ-SCH₂)₂CH₂}Fe₂(CO)₅][PhP(CH₂OH)(CH₂CO₂Me)]，制备过程如下所示：

具体制备步骤如下：

1)在氮气保护下，向装有搅拌磁子的50mL Schlenk烧瓶中依次加入48mg(0.46mmol)CH₂(CO₂H)₂、68mg(0.56mmol)DMAP和220mg(1.06mmol)DCC，将其置于冰水浴降至0℃，注入20mL CH₂Cl₂；

2)低温搅拌2h后，一次性加入243mg(0.46mmol)模型物 [{(μ-SCH₂)₂CH₂}Fe₂(CO)₅][PhP(CH₂OH)₂]，撤去冰水浴自然升至室温，继续搅拌6h，TLC监测原料点基本消失；

3)减压抽干溶剂，用CH₂Cl₂提取残余物，用石油醚/CH₂Cl₂＝2:3(v/v)作为展开剂进行薄层色谱分离，收集红棕色主色带，减压抽干，得到红色固体模型物3(116mg)，产率44％。

产物结构数据表征如下：IR(KBr disk):ν_O-H:3401(m)；ν_C≡O:2047(vs),1976(vs),1957(vs),1935(vs)；ν_C＝O:1720(s)cm^-1.¹H NMR(400MHz,CDCl₃):1.69-1.95(m,6H,CH₂CH₂CH₂),2.18(s,3H,CH₃),3.21(t,J_HH＝6.8Hz,1H,OH),4.37-4.59(m,2H,HOCH₂P),4.67,5.24(2d,J＝12.8Hz,2H,CH₃CO₂CH₂P),7.45,7.73(2br.s,5H,C₆H₅)ppm.¹³C NMR(100MHz,CDCl₃):19.6(s,CH₃),22.0,22.2,29.2(3s,CH₂CH₂CH₂),59.4,59.7,61.0,61.2(4s,PCH₂O),127.9-130.6(m,C₆H₅),170.7(s,CH₃CO₂),208.5,211.9,212.0(3s,C≡O)ppm.³¹P NMR(162MHz,CDCl₃):58.1(s)ppm.

实施例4：

一类含功能化膦配体的铁铁氢化酶模型物4的制备方法，所述模型物4的化学式为[{(μ-SCH₂)₂CH₂}Fe₂(CO)₅][PhP(CH₂CO₂Me)₂]，制备过程如下所示：

具体制备步骤与实施例3基本相同，不同之处在于：步骤2)中将加入243mg(0.46mmol)[{(μ-SCH₂)₂CH₂}Fe₂(CO)₅][PhP(CH₂OH)₂]改为加入122mg(0.23mmol)[{(μ-SCH₂)₂CH₂}Fe₂(CO)₅][PhP(CH₂OH)₂]；步骤3)中将收集红棕色主色带(R_f＝0.1)改为收集橙红色主色带，得到红色固体模型物4(127mg)，产率90％。

产物结构数据表征如下：IR(KBr disk):ν_C≡O:2045(vs),1983(vs),1933(s)；ν_C＝O:1752(s)cm^-1.¹H NMR(400MHz,CDCl₃):1.70(s,2H,(CH₂CH₂CH₂),1.89(s,4H,CH₂CH₂CH₂),2.11(s,6H,CH₃),4.87，5.02(2d,J＝12.8Hz,4H,P(CH₂O)₂),7.45-7.63(m,5H,C₆H₅)ppm.¹³C NMR(100MHz,CDCl₃):19.5(s,CH₃),22.1,29.3(2s,CH₂CH₂CH₂),59.7(s,PCH₂O),127.9-130.2(m,C₆H₅),169.1,169.2(2s,CH₃CO₂),208.4,211.6,211.7(3s C≡O)ppm.³¹P NMR(162MHz,CDCl₃):53.5(s)ppm.

实施例5：

一类含功能化膦配体的铁铁氢化酶模型物5的制备方法，所述模型物5的化学式为[{(μ-SCH₂)₂CH₂}Fe₂(CO)₅][Ph₂P(p-C₆H₄OH)]，制备过程如下所示：

具体制备步骤如下：

1)在氮气保护下，向装有搅拌磁子的50mL Schlenk烧瓶中依次加入193mg(0.5mmol)[(μ-SCH₂)₂CH₂]Fe₂(CO)₆、287mg(1.1mmol)Ph₂P(p-C₆H₄OH)和20mLMeCN，搅拌使之完全溶解；

2)在室温和氮气保护下，一次性加入111mg(1.0mmol)Me₃NO·2H₂O，溶液颜色立即由红色变为黑红色，室温继续搅拌0.5h，TLC监测原料点完全消失；

3)减压抽干溶剂，用CH₂Cl₂提取残余物，用石油醚/CH₂Cl₂＝1:2(v/v)作为展开剂进行薄层色谱分离，收集红棕色主色带，减压抽干得红色油状物，向其加入少量无水乙醚后真空减压抽干，得到红色固体模型物5(292mg)，产率92％。

产物结构数据表征如下：IR(KBr disk):ν_O-H:3480(m)；ν_C≡O:2043(vs),1979(vs),1931(m)cm^-1.¹H NMR(400MHz,CDCl₃):1.10-1.74(m,6H,CH₂CH₂CH₂),5.23(br.s,1H,OH),6.91-7.65(m,14H,2C₆H₅,C₆H₄)ppm.¹³C NMR(100MHz,CDCl₃):22.0,29.9(2s,CH₂CH₂CH₂),115.6-157.5(m,2C₆H₅,C₆H₄),209.6,213.6,213.7(3s,C≡O)ppm.³¹PNMR(162MHz,CDCl₃):63.4(s)ppm。