緒論

1-1 高氧化態過渡金屬之生化概論

中，血基質軸位由胱胺酸 (cystine) 殘基配位——包括細胞色素 P450 家族 (CYPs)——負責將受質羥化 (hydroxylation) 的代謝步驟。而在 過氧化酶 (peroxidase) 和過氧化氫酶 (catalase)，血基質的軸位則是 分別以組胺酸、酪胺酸 (tyrosine) 配位。

早在 1981 年，J. T. Groves 等人以 chloro-5,10,15,20-tetramesityl- porphinatoiron(III) [(TMP)FeCl] 作為模型分子 (model compound)，² 在低溫下使之與 mCPBA 作用，反應產物的 Mössbauer 吸收特徵為 δ = 0.05 mm/s、ΔEQ = 1.49 mm/s。該物質和山葵過氧化酶 (horseradish peroxidase, HRP) 之反應中間體 (HRP-I, δ = 0.08 mm/s; ΔEQ = 1.25 mm/s) 類似，甚至可將 norbonene 進行環氧化反應 (epoxidation)。而 後 J. E. Penner-Hahn 等人再以 Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS) 測得 HRP-I 之 Fe–O 間距僅有 1.62 Å，³判定為 Fe=O 雙鍵。

如今已知，前述 CYPs、peroxidases、catalases 含有血基質等酵素，反 應機制都涉及鐵四價的 [Fe^IV=O/por^+•] 中間體，⁴通稱為 Compound I (參見圖 1-1)。

另一方面，非血基質 (non-heme) 的其他氧合酵素，也被證實具 有高氧化態鐵之中間體參與，⁵列於圖 1-2，能夠將各種受質進行衍生

圖 1-1 過氧化酶 (A)、細胞色素 P450 (B) 和過氧化氫酶 (C) 之催化機制。

4a 圖中省略血基質的軸位殘基 (配位原子)，於三類酵素中各為：組胺酸

(氮)、胱胺酸 (硫) 和酪胺酸 (氧)。它們共通之 Compound I 中間體，屬於 Fe^IV=O 物種。

化。這些高價鐵物種具有高度親電子性及高自旋性質，可從接近的受 質奪取一個氫原子 (hydrogen atom abstraction, HAA)，而受質所生成 之自由基再經過回彈機制 (rebound mechanism) 轉為羥基或鹵素衍 生物，如圖 1-1 及 1-2 所示。正是利用自由基的高反應活性，酵素才 能將一般有機分子中，惰性的 C–H 鍵加以活化。

當第一個 non-heme 的 Fe^IV=O 物種 ([(cyclamAc)Fe=O]⁺)⁶ 被發表 後的幾年之內，2003 年 Science 期刊首次報導了能以 X-ray 單晶繞射 結 構 解 析 的 Fe^IV=O 錯 合 物 ： J.-U. Rohde 和 J.-H. In 等 人 使 用

價鐵前驅物和 PhIO 反應，所得的 [(TMC-14)(CH₃CN)Fe=O]²⁺ (δ = 0.17 mm/s; ΔEQ = 1.24 mm/s; rFe–O = 1.646 Å ; ν̅Fe–O = 834 cm⁻¹) 可在

−40 °C 下存活，並能將 PPh₃ 氧化為 O=PPh₃。同時藉由變磁場

Mössbauer 光譜的分析，判定 [(TMC-14)(CH3CN)Fe=O]²⁺ 具有 S = 1 之自旋多重態。⁷

圖 1-2 各酵素之四價鐵活性物種及其催化反應型態。⁵ (a) 含血基質酵素；

(b) 雙鐵核之可溶性 甲烷單氧 合酵素 (soluble methane monooxygenase, sMMO)；(c) 單鐵之非血基質氧合酵素等。

在過去十年間，以各種氮氧多牙基支撐的含鐵錯合物，被用以探

圖 1-3 在四方及三方配位場中 Fe^IV=O 的電子組態示意圖。⁵

反應速率則比低自旋者快；¹² 在混價的 sMMO 擬態錯合物研究中發 現，HO–Fe^III–(μ-O)–Fe^IV=O 關於 OAT 及 HAA 反應的活性比 Fe^III– (μ-O)2–Fe^IV 分別高出四到六個數量級，也被解釋為開環的前者具有 高自旋 Fe^IV=O 片段的貢獻。¹³最近更有關於 [(TMC)(L_ax)Fe^IV=O]^2+/+

系列的理論計算工作指出，¹⁴考慮軸位配基對反應性的影響和動力學 同位素效應 (kinetic-isotope effect, KIE)，反映機構應該以 two-state reactivity (TSR) 模型描述——這些基態為低自旋的 Fe^IV=O 其實具有 能量相近的高自旋激發態 (容易發生自旋組態翻轉)，若納入穿隧效應 (tunneling effect) 的修正，則估算之低自旋 Fe^IV=O 進行 HAA 的 KIE 會遠大於已知的實驗數據，高自旋 Fe^IV=O 參與反應似乎更符合實驗

的結果。

另一類能將芳香環或烯類分子進行順式二羥基化的 non-heme 氧 合酶 (Reskie dioxygenase)，¹⁵ 機構中則有 O=Fe^V–OH 物種參與。¹⁶ 2007 年，T. J. Collins 團隊開發 tetraamido macrocyclic ligand (TAML) 配位基衍生的 [(TAML)Fe^V=O]⁻，是最早被製備的五價鐵錯合物模型，

17a其 Mössbauer 吸收特徵為 δ = −0.24 mm/s、ΔEQ = 4.25 mm/s，同樣 具備 HAA 之活性。^17b TAML 配位系統的對高價金屬離子有很好的穩 定性，經過官能基修飾的 [(TAML)Fe^V=O]⁻ 甚至能穩定存在於室溫。

18此外，[(TAML)Fe^V=O]⁻ 對水的氧化反應 (water oxidation) 曾被 W.

C. Ellis 等人報導，¹⁹最近亦有研究展示這些高價鐵相似的催化性質，

20讓高價 Fe=O 從學理探討往應用性更邁進了一步。

1-1.2 高價銅生物無機化學

血氰蛋白 (hemocyanin) 是軟體、節枝動物的血淋巴中用以傳輸 氧氣的載體蛋白，其機理已被透徹瞭解：氧分子以側接方式橋接於兩 個銅離子間，形成 Cu^II–(μ-η²:η²-O2)–Cu^II (Cu^II2

P

^S) 複合態。²¹此外，

活性中心結構相近的酪胺酸酶 (tyrosinase) 和兒茶酚酶 (catechol oxidase/catecholase)，則直接使用氧氣將其受質氧化。^21,22 酪胺酸酶催

化酪胺酸形成L-3,4-dihydroxyphenylalanine (L-DOPA)，是訊息分子多 巴胺 (dopamine) 的前驅物，體內重要的生物合成反應之一。酪胺酸 酶的催化機制如圖 1-4 所示。在模型錯合物研究中，W. B. Tolman 的 團隊發現，Cu^II₂

P

^S可轉換為其組態異構物，Cu^III–(μ-O)2–Cu^III (Cu^III2

O

2)。

23

Cu

^III2

O

2 因而被推測為酪胺酸酶反應中可能的中間體。^22–25 例如 N,N′-di-tert-butylethylenediamine (DBED) 配位的銅錯合物，²⁶在−120

°C 下可捕捉到酚鹽 (phenolate) 配位的三價銅二聚體，及 (在−80 °C) 其兒茶酚和苯醌 (benzoquinone) 氧化產物，見圖 1-5。然而 Cu^II₂

P

^S 和 Cu^III₂

O

2組態間的平衡對配位環境非常敏感，^27,28加上有 Cu^II₂

P

^S錯

圖 1-4 酪胺酸酶催化反應之機構。^22b

圖 1-5 DBED 配位之銅錯合物模擬之酪胺酸酶反應機構。²⁶生成的 Cu^III₂O₂ (A) 低在溫下由 EXAFS 所證實，其 Cu…Cu 間距為 2.79 Å 。

合物具備 C–H 活化能力之報導，^29,30 酵素反應機制至今仍未有定論。

最近，F. Meyer 的研究團隊更製備了順磁性的 Cu^II–(cis-μ-O2)–Cu^II (Cu^II₂

P

^Ｃ) 模型分子，³¹ 揭示了酵素催化機制的其他可能。

不同於上述酪胺酸酶等酵素，未耦合之雙銅酵素 (noncoupled binuclear copper enzymes) 其中一個銅離子僅負責電子傳遞 (CuH)，而 另一個銅離子 (Cu_M) 則進行受質的氧化。²¹ 代表性的例子為：多巴 胺 β 單氧合酶 (dopamine β-monooxygenase, DβM)、^32a肽基甘胺酸 α 羥化單氧合酶 (peptidylglycine α-hydroxylating monooxygenase, PHM)，

32a以及酪胺β 單氧合酶 (dopamine β-monooxygenase, TβM)。^32b根據

圖 1-6 肽基甘胺酸 α 羥化氧合酶 (PHM) 之推測反應機構。³³

氧氣結合後的蛋白質晶體結構，CuM屬於 Cu^II–O2−的組態，催化過程 中經由 HAA 的步驟將受質活化，反應機構推測如圖 1-6。另一方面，

Cu–O2 1:1 結合的錯合物模型結構也陸續被發表：同為三方對稱，負 一價的 hydrotris(3-tert-butyl-5-isopropyl-1-pyrazolato)borate (Tp⁻) 和 電中性 tris(tetramethylguanidino)tris(2-aminoethyl)amine (TMG₃tren)，

所 得 之 銅 — 氧 複 合 物 分 別 為 [(Pz)Cu^II(η²-O2−)] (Cu^II

S

^S)³⁴ 和 [(TMG3tren)Cu^II(η¹-O2−)]⁺ (Cu^II

S

^E)；³⁵換以 β-dikitaminato 二牙基 (L_β⁻) 配位，則生成組態不同的過氧錯合物 [(L_β)Cu^III(η²-O₂)] (Cu^II

P

^S)。³⁶後 續 的 工 作 包 括 ： S. Itoh 團 隊 選 用 立 體 障 礙 很 大 的 tris(hexaisopropylterphenyl)-tris(2-aminoethyl)amine (HIPT3tren)，迫使

其銅—氧錯合物維持於 Cu^II

S

^E組態；³⁷ W. B. Tolman 團隊改用 pincer-

type 配位基 N,N′-bis(2,6-diisopropylphenyl)-2,6-pyridinedicarboxamide (H2PyDA) 則鑑定出超氧化物錯合物 (Cu^II

S

^E)，³⁸ 以上結果整理於圖 1-7。再次驗證，銅—氧錯合物的結合模式 (及電子組態) 對配位環境 之高度敏感性，對此文獻中亦有所討論。^39,40

圖 1-7 文獻已報導之 1:1 之銅—氧錯合物。^34–38左側的配位基屬於三方對

稱；右側配位基則以平面方向螯合於銅離子。^a 非晶體結構，由光譜鑑定

之結果。

這些 Cu^II–(η¹-O2−) (Cu^II

S

^E) 物種即便只存在於低溫，但對於銅進 行氧氣活化是必經的狀態，近年來受到相當的重視。鑑定的技術漸趨 成熟，以 K. D. Karlin 的團隊為首，陸續發表了一系列研究成果，^41–

44旨在了解 Cu^II

S

^E的特質，並嘗試探究其反應性，如 HAA 的能力 ⁴³

和親核性，⁴⁵幫助了對含銅氧化酶 (oxidases) 催化機制了解。如圖 1-8 所示，Cu^II

S

^E進行 HAA 形成 Cu^II–OOH (Cu^II

HP)，對受質進行兩個

電子的氧化，並生成一當量過氧化氫副產物。至於未耦合之雙銅單氧 合酶，牽涉到氧氣分子總共四個電子的還原，此類酵素的反應機構更 為複雜。被提出的兩類機制，分別主張 Cu^II–O2− 46,47或 Cu^III=O (CuO)^48–

50 為主要的活性物種。事實上就電子組態而言，Cu^III=O 應該以 Cu^II–

O^• (oxyl, S = 1) 表示更為貼切。由於反應性質類似 Fe=O，討論上也 常與 oxo 關聯，故 Cu^III=O 常被假借為 Cu^II–O^• 使用。

圖 1-8 含銅酵素運用氧氣的反應流程。⁴¹半乳糖氧化酶 (galactose oxidase, GO)、含銅胺氧化酶 (copper amine oxidase, CAO) 等釋出過氧化氫副產物；

未耦合雙銅氧合酶則會進一步還原氧氣至水分子的生成。

關於 PHM 的計算工作中 (圖 1-9)，⁴⁶氧氣逐步獲得電子途徑 (活 性物種為 Cu^II

S

^S) 比兩個電子還原的途徑 (活性物種為 Cu^II

HP) 的活

圖 1-9 Solomon 團隊提出的 PHM 催化機制。^46a與受質 (FmG⁻) 反應活性 物種是分別是 Cu^IIHP (3) 及 Cu^IIS^S (4)，數據顯示 Cu^IIS^S進行 HAA 的活化 能較低。而 CuO (5) 則是 Cu^IIHP 反應後的中間狀態。

圖 1-10 Yoshizawa 團隊提出的 DβM 催化機制。⁴⁹Cu^IIS^E (上排) 和 Cu^IIS^S (下 排) 物種進行 HAA 步驟的活化能在各為 16.9 和 3.8 kcal/mol，rebound 步 驟則為 13.9 和 6.5 kcal/mol。因此推斷 CuO 是酵素的主要活性物種。

化能較低 (14 kcal/mol 之於 37 kcal/mol)；而在另一個關於 DβM QM/MM 計算中 (圖 1-10)，⁴⁹自由基回彈機制的活化能則是 CuO 比

Cu

^II

P

^E更低 (5.4 kcal/mol 比之於 23.1 kcal/mol)，於是傾向 Cu–O^• 的 假說。但由於 CuO 物種的高度不穩定，截至目前沒有被分離出的實 例，也讓相關機構的討論存有爭議。C. J. Shaffer 等人以 2,2′-bipyridine 衍生出長碳鏈的分子 (參見圖 1-11)，⁵¹一方面作為配位基螯合銅離子、

一方面作為反應物，分析質譜游離化過程中的分子內 C–H 鍵活化現 象 ， 認 為 是 CuO 將 碳 鏈 羥 基 化 。 而 A. Conde 等 人 使 用 [(Tp^R)Cu(NCMe)] 做為催化劑，搭配過氧化氫進行烷類的氧化/脫氫 反應。⁵²其相應之理論計算 (圖 1-12) 也提出是 CuO 是對烷類反應物 進行 HAA 的物種。是目前少有支持 CuO 物種的參與的跡象。

圖 1-11 質譜觀察之 CuO 進行分子內 C–H 鍵活化反應。⁵¹

圖 1-12 錯合物 (Tp^R)Cu(NCMe) 催化環己烷氧化機構的理論計算。⁵²

值得補充的是，除了前面討論過的 Cu^III₂

O

₂、Cu^II

S

^E、Cu^II

HP、

Cu

^II

S

^S、CuO 等具有 C–H 鍵的活化能力，Cu^III–OH (Cu^III

OH) 近期也

被發現 HAA 之反應性。代表如 W. B. Tolman 研究團隊在低溫下將 [(PyDA)Cu^II(OH)]⁻ 氧化為銅三價的物種，並測定 Cu^III

OH 物種的反

應活性 (如圖 1-13)。⁵³該 Cu^III

OH 對於 dihydroanthracene (DHA) 的

二級速率常數 (k2 = 1.1 M⁻¹ s⁻¹, −80 °C) 僅次於 HO–Fe^III–(μ-O)–

Fe^IV=O 以及高達 44 的 KIE 比值，展現了高度的 HAA 反應性。

前述各種銅—氧複合物的反應活性是無庸置疑的，各物種無論在 形式上或電子結構中，或多或少具有高氧化態的特質。近年來的研究 亦有所突破，但礙於物種穩定程度的限制 (高反應性)，目前仍有許多 相關的疑點尚待釐清。

圖 1-13 三價銅錯合物 (PyDA)Cu^III(OH) 的製備及對 DHA 的反應。⁵³

1-2 高價銅化學概述

像生物系統般直接運用氧氣的銅催化反應，近年已有相當程度的

進展，^54,55 包括：氧化偶合反應 (oxidative coupling)、氧化性鹵素化

反應 (oxidatice halogenation)、醇—醛氧化反應 (alcohol–aldehyde conversion) 等類型 (圖 1-14)。銅離子常在一價 (d¹⁰) 和二價 (d⁹) 組 態間轉換，藉由單電子轉移 (single electron transfer, SET) 之自由基途 徑催化受質。此反應類型可搭配 nitroxyl 試劑，如 2,2,6,6-tetramethyl-1- piperidinyloxy (TEMPO)，協助自由基的轉移，機制如圖 1-15。⁵⁶

圖 1-14 一些使用氧氣的銅催化反應實例。⁵⁴ (a) Glaser–Hay 偶合反應；(b) 酚類氧化聚合反應；(c) 芳香環氧化性氯化反應；(d) 甲醇羰基化反應；(e) 醇—醛氧化反應。

圖 1-15 搭配 TEMPO 試劑之銅—氧氣催化反應機制。^56b

前述經由 SET 的催化反應主要適用於富含電子 (electron-rich) 的受質 (如酚類、胺類)，缺電子的受質則需要較高的反應溫度、或須 受質特定官能基的輔助才能進行 C–H 鍵的活化。⁵⁴ 而另一類使用銅 催化劑之非氧化性 (non-oxidative) 反應，例如：Ullmann 偶聯反應、

57–59 有機銅鋰 (organocuprate) 試劑 ^60–62 等行之多年的有機金屬合成

方法，已確定反應過程含有 Cu^III–carbon 物種的參與。

典型的 Ullmann 反應在 1901 年被發現，是鹵苯被銅催化的自偶 合 (homo-coupling)，隨後便發展出不同親核試劑和鹵苯的交叉偶合，

如圖 1-16 所示。⁵⁷早期的 Ullmann 反應研究，使用了不同的條件進行，

如圖 1-16 所示。⁵⁷早期的 Ullmann 反應研究，使用了不同的條件進行，

在文檔中 軸位配基可置換之三角雙錐三價銅錯合物的電子結構及反應特性 (頁 12-41)