JACS：仿生含铁配合物中新颖的O-O键活化机制指导Rieske酶机理研究

Rieske型氧化酶是一类在自然界中广泛分布的非血红素铁酶。通过氧气活化，可以对多种底物进行氧化修饰，涉及双键的双加氧、C-H键活化以及官能化。Rieske酶的单铁活性中心通过氧气活化能够生成多种铁-氧中间物种，包括铁-超氧（Fe^III-O₂^-）、铁-过氧（Fe^III-O₂^2-）、铁-过氧化氢（Fe^III-OOH）、高价铁-氧-羟基（Fe^V(O)(OH)）等物种。尽管在这类酶的前期研究中已进行了大量实验和理论研究，但Rieske型氧化酶中氧气活化的具体机制及其活性中间体的本质依然存在争议。

在前期研究中，韩国梨花女子大学Wonwoo Nam教授课题组合成了一系列铁基过氧化物配合物，并发现部分配合物（如[Fe^III(O₂)(12-TMC)]⁺，TMC = tetramethylated tetraazacycloalkane）可以催化类似于Rieske型氧化酶的烯烃双加氧反应。为阐明金属过氧配合物中O-O键的活化机制以及双加氧反应的机理，厦门大学王斌举教授课题组联合宁夏大学吴鹏（王斌举课题组前博后）开展了系统的理论研究。研究表明，TMC配位的铁中心能够有效介导铁过氧物种中O-O键的均裂反应，生成Fe(IV)(oxo)(oxyl) 物种，并进行后续的烯烃双键双加氧反应（图1）。

图1. [Fe^III(O₂)(12-TMC)]⁺ 通过O-O键均裂进行烯烃的双加氧反应。

进一步的理论分析发现，Fe(III)可将其在单占据的HOMO轨道d_xz上的一个电子转移至过氧配体的LUMO轨道σ*(O-O)，从而驱动O-O键的均裂反应（图2a）。此外，理论分析表明，O-O键均裂的能垒与HOMO-LUMO轨道的能级差高度相关（图2b），这很好地解释了实验上观察到的n-TMC (n = 12, 13, 14) 配体的尺寸效应，即随着TMC尺寸增大（如TMC-14），配体的供电子效应增强，从而推高σ*(O-O)轨道的能级，增大了HOMO-LUMO轨道能隙。这导致O-O键均裂的能垒升高，进而降低了反应活性。 

图2. 顺式双羟化反应中O-O键断裂过程中的电子转移及配体尺寸效应。

为了进一步验证上述微观机制，作者还对其他不同金属的过氧配合物（包括锰、钴和镍）进行了理论计算。计算结果表明，铁、钴和镍均利用金属d_xz轨道中的电子参与O-O键的均裂，而锰由于其d_xz轨道为空轨道，只能通过d_yz轨道提供电子来参与O-O键的活化。此外，对于铁、钴和镍，O-O键均裂的能垒同样与金属d_xz轨道和过氧配体σ*(O-O) 轨道之间的能隙高度相关（图3）。对于锰过氧配合物，由于d_yz和σ*(O-O) 轨道垂直，使得两个前线轨道的耦合以及电子离域很弱，从而最终导致低反应活性。为了验证这一理论预测，Wonwoo Nam课题组合成了含有不同金属（包括锰、钴和镍）的过氧配合物。实验结果显示，除铁外，其他金属的过氧配合物均未表现出反应活性，这与理论预测结果高度一致。

图3. 不同金属过氧配合物O-O键断裂的能垒和前线轨道的关系

最后，通过DFT计算模拟了Rieske型萘双加氧酶 (NDO) 中铁(III)-过氧模型化合物的反应活性及其对底物的双加氧过程（图4）。计算结果表明，Rieske酶中的铁(III)-过氧物种同样可以通过O-O键均裂来完成对底物的双加氧修饰。此外，在替换不同金属中心的测试中，发现只有铁能够有效活化O-O键，这表明自然界在选择参与O–O键活化的金属中心时具有高度选择性。

图4. NDO模型化合物反应机理和不同中心金属离子的影响。

综上，本研究发现：（I）仿生体系和Rieske酶中的单铁中心可以通过一种新颖的O-O均裂机制来活化O-O键，从而完成对底物的氧化修饰；（II）O-O键的活化能垒与金属过氧化物的前线轨道，即金属离子d轨道与过氧配体σ*(O-O) 轨道高度相关；（III）合成的配合物与Rieske酶活性中心在O-O活化中表现出高度的相似性和关联性，这间接支持了Rieske酶可能采用类似的机制和活性物种介导各种底物的氧化修饰。以上研究为深入理解Rieske酶中的活性物种及其催化过程提供了全新的思路。该工作的理论计算主要由宁夏大学的吴鹏完成，主要实验验证以及实验分析由Wonwoo Nam课题组的博士生朱文娟完成（现于德国柏林洪堡大学Kallol Ray课题组从事博士后研究）。厦门大学的王斌举教授和韩国梨花女子大学Wonwoo Nam教授为该论文的通讯作者。

相关工作近日在线发表在《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc.）上。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

cis-Dihydroxylation by Synthetic Iron(III)–Peroxo Intermediates and Rieske Dioxygenases: Experimental and Theoretical Approaches Reveal the Key O–O Bond Activation Step

Peng Wu^#, Wenjuan Zhu^#, Yanru Chen, Zikuan Wang, Akhilesh Kumar, Binju Wang*, and Wonwoo Nam*

J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: 10.1021/jacs.4c09354

导师介绍

王斌举

https://www.x-mol.com/university/faculty/243303