[铁]-、[铁铁]-氢化酶及其化学模拟物结构-功能关系及动力学的理论研究

本课题拟应用密度泛函理论（DFT）方法、量子力学与分子力学相结合的（QM/MM）方法以及分子动力学模拟（MD）方法对单核[铁]-、双核[铁铁]-氢化酶及其化学模拟物的结构-功能关系及动力学进行细致的理论研究。具体内容包括（1）对[铁]-及[铁铁]-氢化酶的整个催化过程进行在真实蛋白环境下的QM/MM方法模拟，在揭示反应机理的同时找出调控催化活性的关键氨基酸；（2）对[铁铁]-氢化酶的气体通道进行动态MD模拟，以期找到调控因子（如控制气体通道孔径的关键氨基酸）来增加氢化酶的耐氧力。上述工作将对氢化酶的基因改良起到积极的推动作用，为解决造成生物制氢产氢效率低及耐氧性能差的技术瓶颈提供积极的理论支持。（3）对氢化酶化学模拟物的结构-功能关系进行DFT理论研究，揭示内在规律，为开发新型产氢功能化学模拟物提供一定的理论借鉴和指导。

能源和环境问题是21 世纪人类所面临的重大问题，寻求洁净的可持续新型能源具有巨大的社会和科学意义。洁净的氢气无疑是最优选项，而大规模生物制氢技术瓶颈是产氢效率和催化剂耐氧稳定性问题。对氢化酶活性中心结构-功能关系的研究，可促进酶基因的改良及进行仿生模拟促进相关新型催化剂的开发。针对此研究目标的研究内容是氢化酶活性中心以及相关仿生模拟物的结构-功能关系的理论研究。2011年Nature的两篇文章报导耐氧性好的包膜NiFe氢化酶是通过选择性氧化，把氧气活化为过氧三价铁活性中间体进而进行质子转移/电子迁移，把络合到活性中心的氧气降解为水。引入酸将使得此中间体的稳定性得到很大的提升，我们首先对仿生模拟物Fe(PDP)在醋酸环境下各种可能的高价铁-氧化合物的活性中间体的稳定性及相互转化进行了理论研究，研究显示活性中间体并非长期认可的五价铁-氧中间体，而是类似于氢化酶的过氧三价铁中间体。这种中间体可以在底物的诱导下进行氧-氧键均裂，生成瞬态的四价铁-氧醋酸根自由基来进行选择性催化。在另一种Fe(TPA)仿生模拟体系中，理论和实验相结合的结果显示Fe(TPA)和Fe(PDP)的催化机理不同，在Fe(TPA)体系中，过氧三价铁演变为五价铁-氧活性中间体。扩展研究表明这样的机理同样适用于锰-氧中间体。在研究Lewis酸对钴-氧活性中间体的保护和改性作用时，发现钴-氧活性中间体和铁-氧的完全不同，理论研究揭示活性中间体是四价钴-氧-血红素配体TAML自由基，并被随后的光谱实验验证。 综上所述，在项目的支持下，我们共发表了9篇SCI收录论文，其中包括1篇Nature Communications、1篇Journal of American Chemical Sciety、1篇Angewandte Chemie International Edition、2篇ACS Catalysis。其中氧气活化过程中有机酸加合物在生成活性中间体中的作用是我们首次提出，在此领域引起较大的关注，被邀请在第41届国际配位化学会议和第4届亚洲配位化学会议上做分会邀请报告。2015年项目承担人荣幸的被国际前沿化学期刊（Frontiers in Chemistry）任命为理论与计算化学方向的副主编，这些科研成就均离不了国家自然基金委员会所给予的支持。