[Fe]-氢化酶功能导向的仿生催化体系研究

针对[Fe]-氢化酶功能仿生化学的基本科学问题，本项目拟以[Fe]-氢化酶功能为导向，基于电子效应、立体效应及协同作用，构建功能化仿生催化体系，通过亲电亲核性双功能配体，氧化还原活性氮杂环卡宾配体及有机金属镍络合物配体调控催化剂结构和电子特性，实现仿生条件下活化氢分子，探讨催化剂设计的合理性及构效关系；以氮杂环卡宾前体作为[Fe]-氢化酶催化过程中底物的模型物，通过H/D同位素交换反应探索催化过程中活性中心、底物模型物及氢分子三组分相互作用规律，揭示底物协同下仿生催化活化氢分子的反应历程；通过密度泛函理论（DFT）计算与结构、光谱学研究结果相结合，探讨配体的结构特征、电子特性对催化剂结构性能的影响，通过对反应中间产物，过渡态的能量和结构进行研究，提出合理的反应机理。可望从仿生催化角度解释[Fe]-氢化酶功能的作用机制，为新型铁基仿生催化剂设计合成提供新思路和理论依据。

在过去的三年里，我们以氢化酶功能为导向，基于电子效应、立体效应等，构建了一系列功能化仿生分子催化剂，并对其进行了全面表征，获得了其中十个新催化剂单晶分子结构。所制备的功能分子催化剂实现了仿生条件下催化转移氢化，电化学催化还原质子制氢，以及选择性催化氧化等重要的催化特性。特别是我们发展了采用了氮杂环卡宾配体，构建功能化的具有不饱和配位结构的单铁及双铁核催化剂的方法。对多个仿生催化过程中催化活性中心、底物及活性小分子三组分相互作用规律进行了阐明。我们通过密度泛函理论（DFT）计算与实验结果相结合探讨了配体结构特征、电子特性与催化剂基础性能的关系，进而提出了仿生催化反应性的影响规律，通过对反应中间产物，过渡态的能量和结构进行研究，提出了合理的反应机理。从化学仿生角度对氢化酶功能的作用机制获得了更多理解，为新型铁基仿生催化剂设计提供了基础和理论依据。