无机化学中的全合成——铁钼辅酶的合成研究

Biological nitrogen fixation is under mild condition, while industrial ammonia synthesis consumes a lot of energy. The FeMo cofactor (FeMoco) is one of the key elements in the biological nitrogen fixation process, and hence mimicking of the FeMoco structure has been a central theme of inorganic chemistry. However, due to its structural complexities, chemical mimicking of the FeMoco structure has long been a challenge in synthetic inorganic chemistry. In this project, we are going to take advantage of the theory of total synthesis and use this as a synthetic strategy to guide the mimicking of the FeMoco structure. By careful retrosynthetic analysis, detailed synthetic routes have been developed for mimicking the FeMoco structure. Based on this, multiple-step controlled syntheses of the FeMoco structure analogs will be carried out. The physical and chemical properties of the analogs will also be studied. These studies will provide valued information on the mechanism of biological nitrogen fixation. The advantage of total synthesis will make it a complementary synthetic strategy to the self-assembly strategy, as well as facilitating the mimicking of the FeMoco structure. And the advance of this study will be an important progress toward successful mimicking of biological nitrogen fixation.

生物固氮是通过生物固氮酶在温和条件下进行的，其能源消耗远远低于工业合成氨。铁钼辅酶分子是生物固氮酶的关键固氮活性中心，关于其结构和功能的模拟对人工模拟生物固氮具有重要意义，然而关于其结构的合成一直没有获得成功。本项目的研究是要首次在这一领域引入全合成的理论和策略作为指导，通过对铁钼辅酶分子进行细致合理的反向合成分析，设计合理的合成路线，进一步通过可控的、具有导向性的无机合成反应对铁钼辅酶的结构进行合成模拟。在此基础上，对模拟所得类似物的各种物理、化学性质进行系统的研究，探索铁钼辅酶的固氮活性位点以及固氮机理，为明确生物固氮酶的固氮机理提供良好的实验支持。全合成策略将有可能成为与自组装策略互补的一种实用无机合成策略，而在全合成策略的指导下进行铁钼辅酶结构的模拟，能够有效的提高合成的可控性和导向性，使得铁钼辅酶的结构模拟能够尽快实现，为生物固氮的人工模拟奠定基础。

生物固氮是通过生物固氮酶在温和条件下进行的，其能源消耗远远低于工业合成氨。铁钼辅酶分子是生物固氮酶的关键固氮活性中心，关于其结构和功能的模拟对人工模拟生物固氮具有重要意义，然而关于其结构的合成一直没有获得成功。本项目的研究是要借鉴有机化学中全合成的理论和策略作为指导，通过对铁钼辅酶分子结构进行细致合理的反向合成分析，设计合理的合成路线，进一步通过可控的、具有导向性的无机合成反应对铁钼辅酶的类似物进行合成。同时发展和建立更多的可控合成策略，为铁钼辅酶的合成化学研究提供更多参考策略。在项目执行过程中，我们完成了预定研究内容，实现了项目预定研究目标。我们采用全合成策略对铁钼辅酶的子结构进行了反向合成分析，确定了其合成路线和方法，进一步实现了铁钼辅酶Mo侧子结构的拓扑学类似物的合成，是近年来铁钼辅酶结构化学合成领域最重要的进展之一，相关研究成果发表在PNAS上，PNAS和国家自然科学基金委均发文予以专门评述。而在对于铁钼辅酶类似物合成化学的研究过程中，我们发展了一系列可控的合成策略，实现了相关化合物的可控合成，改变了传统Fe-S簇合物化学完全依赖自组装策略的状况，相关研究发表在Angew.Chem.Int.Ed.上，审稿人评价该研究是簇合物合成化学中重要的里程碑。项目相关的其他研究结果发表在Inorgic.Chem.、DaltonTrans.等期刊上，也推进了Fe-S簇合物可控合成策略的发展。项目整体有力推动了固氮酶铁钼辅酶的合成化学研究，是近年来该领域为数不多的推进，对生物固氮的机理研究具有重要的参考意义。