生物無機中配位化學原理

生物無機中配位化學原理第1頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月Contents1生物無機化學中的配位化學原理3生物無機化學中的堿金屬與堿土金屬4金屬蛋白與金屬酶5醫(yī)藥中的無機元素6生命現(xiàn)象中的超分子化學重要的生物配體及其金屬配合物2重要的生物配體及其金屬配合物第2頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月參考文獻：郭子建，孫為銀編著，《生物無機化學》，北京：科學出版社。

計亮年，莫庭煥等編著，《生物無機化學導論》，廣州：中山大學出版社。

郭德威編著，《生物無機化學概要》，天津：天津科學技術出版社。

楊頻，高飛編著，《生物無機化學原理》，北京：科學出版社。

JournalofInorganicBiochemistry

/science/journal/000630613第3頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月考核方法課程論文與平時成績綜合評分（期末論文80%+平時20%）。

論文：生物體系內金屬離子的功能無機藥物的熱點與研究進展含鐵蛋白/酶的結構與功能

含鋅、銅、鉬蛋白/酶的結構與功能無機納米材料的生物應用研究4第4頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月緒論生物無機化學在分子水平上研究生物體內與無機元素有關的各種相互作用，將無機化學的原理和方法用于研究生物體系中無機元素，尤其是金屬元素及其化合物的結構及生理功能。

生物無機化學家依靠生物化學理論和新技術，結合物理和無機化學的理論和方法，側重從生物學的角度研究無機元素及化合物對生物體的生理和病理作用。通過創(chuàng)造在不同程度再現(xiàn)生命現(xiàn)象的模擬體系，加深對生命過程的認識。5第5頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月緒論順式-二氯二氨合鉑（順鉑）cis-Pt(II)Cl2(NH3)2反鉑trans-Pt(II)Cl2(NH3)2生物無機化學在短短的歷程中，順鉑作為無機抗癌藥物在世界范圍內的廣泛使用，是無機物在醫(yī)藥中應用的典范。6第6頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月緒論配合物的幾何異構體不僅可具有不同的理化性質，且其生理活性及藥理性質也常不相同例如，順式-PtCl2(NH3)2

（cis-DDP） 呈橙黃色，因其結構不對稱，偶極矩大于零，是極性分子，較易溶解于水； 臨床上簡稱為順鉑(cis-platinum)，它能將癌細胞中兩DNA單鏈上的鳥嘌呤交聯(lián)地結合，抑制DNA的復制，且因此而將腫瘤抑制因子p53激活，阻止癌細胞的分裂和再生，對癌癥有較好的療效。反式-PtCl2(NH3)2（

trans-DDP） 呈淡黃色，其結構對稱，是非極性分子，難溶解于水；不能與DNA結合。7第7頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月緒論血紅蛋白和血紅素血紅蛋白（Hb）是由含亞鐵的血紅素和1個分子珠蛋白構成。亞鐵血紅素分子由Fe2+同卟啉大環(huán)配體上四個N原子形成四個配位鍵;再與珠蛋白中一個組氨酸殘基的咪唑N原子形成第五個配位鍵;Fe2+的第6個配位位置由水分子占據(jù)，它能被O2置換形成氧合血紅蛋白(Hb·O2)。8第8頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月主要是具有生物功能的金屬、生物配體及其組成的生物分子(含金屬的生物分子)。含金屬的生物分子蛋白質、酶和肽核酸與金屬的配合物低分子量金屬配合物緒論生物無機化學的研究對象9第9頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月緒論蛋白質/酶及肽酶水解酶羧肽酶(Zn)氨肽酶(Mg,Zn)磷酸脂酶(Mg,Zn,Cu)氧還酶氧化酶(Fe,Cu,Mo)羥化酶(Fe,Cu)超氧化物歧化酶(Cu,Zn,Mn)異構酶及合成酶的輔酶維生素B12輔酶(Co)調節(jié)蛋白和調節(jié)肽鈣調蛋白(Ca)人血漿促生長因子(Cu)鋅指蛋白(Zn)運送及儲存蛋白電子載體細胞色素(Fe)鐵硫蛋白(Fe)藍銅蛋白(Cu)金屬儲存及運送蛋白和結構蛋白鐵蛋白(Fe)鐵傳遞蛋白(Fe)金屬硫蛋白(Cu,Zn,Hg,Cd)膠原蛋白(Ca)載氧蛋白血紅蛋白(Fe)肌紅蛋白(Fe)血藍蛋白(Cu)血釩蛋白(V)10第10頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月緒論核酸及類似物核苷酸及環(huán)核苷酸ATP-金屬離子(物質傳遞)核酸RNA-金屬離子(傳遞遺傳信息)低分子量配合物光敏氧化物質葉綠素(Mg)無機硬組織骨及軟骨(Ca、P、Si)離子載體纈氨霉素[xié]11第11頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月生物無機化學生物活性物質的結構-性質-功能關系活性物質在生物環(huán)境中行為活性物質及其修飾物的結構測定模型化合物的結構測定活性物質在溶液中狀態(tài)熱力學性質動力學性質與金屬離子結合或脫離時結構的變化(動態(tài)研究)結構-性質-活性關系(SPAR)及其機理的闡明緒論12第12頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月緒論生物無機化學的研究方法：以元素基本化學性質為基礎，最重要的方法是模擬方法。

用大小相近、配位結構類型相似的金屬離子取代生物體系中的金屬離子。

這些取代離子稱為生物探針。如Co2+(Zn2+)、Mn2+(Zn2+)

用一些簡單金屬配合物作為生物原型的模型化合物,它們可以在一定程度上反映生物原型的某些特征。

如：卟啉鐵配合物(血紅蛋白)、銅配合物(藍銅蛋白)

用化學方法再現(xiàn)生物體系的某種功能如：人造載氧血液在運用模擬方法時,不能輕率地把模擬體系研究結果簡單套用到生物原型上去。13第13頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月血紅蛋白輸送O2

的化學方程式如下：Hem+O2HemO2有機物在活細胞內氧化分解，產生二氧化碳和水，血紅蛋白將組織產生的CO2通過以下化學反應式運送到肺部呼出。Hem(NH2)+CO2Hem(NHCOOH)

血紅蛋白把吸入的氧從肺部運送到組織，再把組織產生的CO2從組織運送到肺部，這是在生物界爭論40年之后，終于在化學家合作之下，通過血紅蛋白活性中心的模擬試驗，圓滿解決。(氨基甲酰血紅蛋白)緒論14第14頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月我國生物無機化學學科研究的未來發(fā)展方向細胞無機化學主要研究無機物種與細胞的相互作用及其導致細胞功能改變、細胞周期改變和細胞增殖、分化和凋亡的機理。金屬酶和金屬蛋白結構、功能及作用機制。

環(huán)境中的無機物與生物相互作用的化學機理。

無機小分子與生物大分子相互作用和結構、功能變化研究。

無機物在重大疾病防治和作用機理方面的研究。

創(chuàng)造新的研究方法實驗方法、理論分析、計算機模擬、設計和預測;生物無機光譜學與生物無機量子化學等緒論15第15頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月上世紀70年代，配位化學已滲透到生命科學體系。研究對象：金屬酶、金屬輔酶、血紅素及微量金屬在人體中的作用及體內金屬離子的平衡等。用配位化學的方法和原理研究生物分子與金屬離子的作用—生物無機化學的主要內容。上世紀80年代，配位化學向生命科學體系的更高層次發(fā)展。

研究生物無機化學實質是研究有生命意義的配位化學。生物無機化學中的配位化學原理16第16頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月一、配合物的基本概念

MLn

金屬M,電子對的受體生物無機化學中的配位化學原理

NH32+H3NCuNH3SO4NH32中心離子配位體 (N是配位原子)

內界外界17第17頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月單齒配位螯合作用大環(huán)作用穴合作用生物無機化學中的配位化學原理18第18頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月生物無機化學中的配位化學原理19第19頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月生物無機化學中的配位化學原理二、晶體場理論的基本要點配合物中的過渡金屬離子與配位體之間的化學鍵都是靜電引力。金屬離子帶正電荷，配體帶負電荷。在配位體場的作用下5個簡并的d軌道（dx2-y2,dz2,dxy,dxz,dyz）發(fā)生能級分裂，分裂方式?jīng)Q定于金屬離子周圍配位體的排列方式，即配位體場的對稱性。如為八面體場，則中心離子的d軌道能級分裂為eg(dx2-y2,dz2)和t2g(dxy,dxz,dyz)兩組。dx2-y2和dz2軌道的電子云和配體迎頭相撞能量上升，故高于夾在坐標軸之間的dxy,dxz和dyz能級。20第20頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月21第21頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月分裂方式?jīng)Q定于金屬離子周圍配體間排列方式不同對稱性場中的軌道能級分裂圖生物無機化學中的配位化學原理22第22頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月影響晶體場分裂能（?）因素

Ⅰ.中心原子電荷

Ⅱ.中心原子半徑

Ⅲ.配體的本性電荷增加,?增加原子半徑增加,?增加生物無機化學中的配位化學原理23第23頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

晶體場穩(wěn)定化能（CrystalFieldStabilityEnergy,CFSE）在配位體的作用下金屬離子d軌道發(fā)生分裂，電子優(yōu)先填充在較低能量的軌道上，電子填入分裂軌道比處于未分裂軌道的總能量要低，這種能量下降稱為晶體場穩(wěn)定化能。-4Dq6Dq CFSE=0[xE(t2g)+y

E(eg)] （1-1） 生物無機化學中的配位化學原理egt2gx、y為t2g和eg軌道中的電子數(shù)，E(t2g)和E(eg)分別為t2g和eg軌道的能量。24第24頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月a.當晶體場分裂能?0大時,導致電子配對,低自旋,稱為強場;反之則導致單電子存在,高自旋，為弱場。b.影響自旋態(tài)的因素配位體場強、溫度、中心原子半徑及電荷等dz2

dx2-y2dxy

dxz

dyzdz2

dx2-y2dxy

dxz

dyzΔO大時為強場CFSE=05(0.4ΔO)=2.0ΔO

ΔO小時為弱場CFSE=0[3(0.4ΔO)+2(0.6ΔO)]=0生物無機化學中的配位化學原理egt2gt2geg25第25頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月三、晶體場理論的應用光譜性質:熱力學性質:配合物熱力學穩(wěn)定性、金屬離子半徑、金屬離子氧化還原性、晶格能、離子水合能動力學性質:配合物反應活性磁性:電子光譜ESR譜生物無機化學中的配位化學原理26第26頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月(一)熱力學穩(wěn)定性實驗事實:第一過渡系金屬離子(Ⅱ)八面體弱場配合物的穩(wěn)定性次序為:埃文—威廉斯(Irving-Williams)規(guī)律d5d6d7d8d9d10CFSE048260生物無機化學中的配位化學原理如，某些金屬碳酸酐酶的穩(wěn)定性M2+Mn2+Co2+Ni2+Cu2+Zn2+logK

3.87.29.511.610.5Mn2+<Fe2+<Co2+<Ni2+<Cu2+>Zn2+27第27頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)氧化還原性有些金屬離子具有兩個或兩個以上穩(wěn)定氧化態(tài),在生物體中會發(fā)生氧化還原作用(Fe3+/Fe2+、Cu2+/Cu+)。配合物的氧化還原性隨配體不同而異。[Co(H2O)6]3+/[Co(H2O)6]2+

EO=+1.84(V)[Co(NH3)6]3+/[Co(NH3)6]2+

EO=+0.10(V)[Co(en)3]3+/[Co(en)3]2+

EO=0.26(V)[Co(CN)6]3/[Co(CN)6]4

EO=0.83(V)生物無機化學中的配位化學原理28第28頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月配合物電子光譜是分子內電子發(fā)生能級躍遷所產生的，通常在200700nm范圍,又稱為紫外可見光譜。按照產生機理不同，可分為三類：a.配位場光譜

b.電荷遷移光譜c.配體內電子遷移光譜

1.配位場光譜(dd躍遷)在正八面體中:egt2goE=hv=o

(三)過渡金屬配合物的電子光譜生物無機化學中的配位化學原理29第29頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

吸收一般在400~700nm范圍內,故大多數(shù)過渡金屬配合物有顏色。

配體場強增加，吸收頻率增加生物無機化學中的配位化學原理30第30頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月抗壞血酸氧化酶和在有底物存在下的吸收光譜生物無機化學中的配位化學原理苦氨酸偶氮變色酸與Co（III）顯色31第31頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月[Co(H2O)6]2+和[CoCl4]2的電子吸收光譜生物無機化學中的配位化學原理32第32頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月生物無機化學中的配位化學原理33第33頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月(三)過渡金屬配合物的磁性磁性是配合物的一個重要性質，利用配合物的有效磁距可判斷配合物中心離子中未成對電子數(shù)、鍵型及立體化學構型等。下面簡單介紹一下配合物的有效磁距及其應用。1.有效磁距(ueff)(1)實驗測定(摩爾磁化率,實驗測定)

μ有效單位為玻爾磁子(BM)生物無機化學中的配位化學原理34第34頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月2.磁性在配合物研究中的應用

確定中心離子的價態(tài)例:銅常見的氧化態(tài)有+1和+2,如何確定分析:Cu+,d10,=0Cu2+,d9,=1.73

判斷配體是強場還是弱場例:Mn2+電子構型為d5低自旋時:cacld=1.73B.M.高自旋時:

cacld=5.92B.M.[Mn(bipy)3]Br2:eff=5.92B.M.[Mn(CN)6]4-:eff=1.73B.M.弱場高自旋強場低自旋生物無機化學中的配位化學原理35第35頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

確定配合物的立體結構因此,可以由物質的磁性初步推測配合物的立體結構。配合物的立體結構未成對電子數(shù)物質磁性例:Ni2+

d8分析:a.平面正方形=0未成對電子數(shù)為零b.八面體高(低)自旋=2.83c.四面體高自旋3.0如:測得的[NiCl4]2的=4.1B.M.，該配合物可能的結構？生物無機化學中的配位化學原理36第36頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月生物無機化學中的配位化學原理Fe3+：F、H2O

t2g3eg2

高自旋=5.9B.MFe3+：CN

t2g5eg0

低自旋=1.7B.MFe2+：CO－血紅蛋白t2g6eg0

低自旋=0B.MFe2+：脫氧血紅蛋白t2g4eg2

高自旋=4.9B.M37第37頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月生物無機化學中的配位化學原理(四)配體取代反應動力學在生物體內，金屬離子與水可形成水合離子。因此，在生物體中的配合物形成反應，實際上是一些生物配體與金屬周圍水分子的交換反應。M(H2O)n+nL=MLn+nH2O對于過渡金屬離子，其配合物的取代反應速率差別是很大的。如Cr3+(3d3)和Co3+(低自旋3d6)配合物的取代反應速率很慢，這種配合物成為惰性配合物;而Cu2+(3d9)和Cr2+(3d4)取代反應速率很快,把它們稱為活性配合物。其原因為Cr3+和Co3+(低自旋)配位場活化能大,故取代反應慢。38第38頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月FredBasolo提出配位場效應來解釋它們的取代速率，認為八面體配合物的取代反應過程要形成四方錐或五角雙錐的過渡態(tài)配合物，過渡態(tài)配合物的CFSE與八面體配合物的CFSE之差稱為配位場活化能。生物無機化學中的配位化學原理計算表明Cr3+和Co3+的配位場活化能大，它們的取代反應是惰性的。39第39頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月生物無機化學中的配位化學原理四、混配配合物的形成及其生物意義在生物體系中，由于同時存在多種配體，除了單一型的配合物外，還可能形成混配配合物，這是兩種或兩種以上不同配體與金屬配位的配合物。生物體內存在除蛋白質、酶、核酸這種大分子之外，還存在著小分子如組氨酸、色氨酸等各種氨基酸，易與金屬形成混配配合物，更主要的是蛋白質等大分子本身就含有許多可以與金屬離子配位的基團，可和金屬配位形成混配配合物。40第40頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月生物無機化學中的配位化學原理（一）混配配合物的形成及其影響因素形成混配配合物的反應類型著重考慮M與A和B形成MAB型混配配合物，它可以看作是酶EM底物S配合物的一種模型。（1）歧化反應MA2+MB2→2MAB（2）取代反應MA2+B→MAB+AMB2+A→MAB+B（3）加合反應MA+B→MABMB+A→MAB（4）直接反應M+A+B→MAB41第41頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月生物無機化學中的配位化學原理形成混配配合物的若干因素混配配合物的形成有內因和外因兩方面。外因方面如pH、配位體與金屬濃度、離子強度和溶劑的極性等。內因方面主要有：（1）統(tǒng)計效應從統(tǒng)計觀點看，易形成MAB型配合物，即形成MAB比MA2和MB2多，且穩(wěn)定。（2）立體效應在形成混配配合物時，母體配合物的幾何構型十分重要，一般的規(guī)律是:

相同構型的配合物之間的相互作用有利于形成混配配合物;42第42頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月生物無機化學中的配位化學原理配體取代基的立體位阻的大小也很重要。如二乙二胺合銅（Ⅱ）與二N，N，－二乙基乙二胺（deen）合銅（Ⅱ）之間的反應：Cu(en)22+

＋Cu(deen)22+→2Cu(en)(deen)2+形成混配配合物Cu(en)(deen)2+后，主體位阻Cu(deen)22+有所降低;形成的混配配合物中，五元、六元環(huán)最穩(wěn)定，特別是五元環(huán)。43第43頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月生物無機化學中的配位化學原理（3）靜電效應混配配合物比較容易由單一型配合物形成。若形成混配配合物后兩配體側鏈能成鍵（離子鍵、氫鍵等），也對形成混配配合物有利。（4）電子反饋M與L形成σ鍵后,若能再形成M→L或L→M的π鍵配合物更穩(wěn)定。M與en形成σ鍵，而M與2，2bpy除形成σ鍵外，還可形成M→L的π反饋鍵，則Mbpy配合物穩(wěn)定。44第44頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月生物無機化學中的配位化學原理（5）軟硬酸堿硬酸：體積小，正電荷高，不易極化；

軟酸：體積大，正電荷低，易極化；硬堿：電負性高，難于氧化，難于極化；

軟堿：電負性低，易于氧化，易于極化。硬酸與硬堿易配位，軟酸與軟堿易配位。NH3和F均為硬堿，Co3+為硬酸易形成[Co(NH3)5F]2+配合物；I為軟堿，故[Co(NH3)5I]2+不如前者穩(wěn)定。而[Co(