行政院國家科學委員會補助專題研究計劃成果報告
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以鋅硫醇模擬含鋅酵素之研究
A Study of Zinc Thiolate as Model for Zinc Enzymes
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計畫類別：■個別型計畫 □整合型計畫
計劃編號：NSC91-2113-M-110-021
執行期限：91 年 8 月 1 日至 92 年 7 月 31 日
主持人：蔣燕南 (Michael Yen-Nan Chiang)
執行單位：國立中山大學化學系
行政院國家科學委員會專題研究計劃成果報告
以鋅硫醇模擬含鋅酵素之研究
A Study of Zinc Thiolate as Model for Zinc Enzymes
計劃編號：NSC91-2113-M-110-021
執行期限：91 年 8 月 1 日至 92 年 7 月 31 日
主持人：蔣燕南 (Michael Yen-Nan Chiang) 國立中山大學化學系
計劃參與人員： 黃鐸鋒 (Duo-Feng Huang)
國立中山大學化學研究所
吳景雲 (Jing-Yun Wu)
國立中山大學化學研究所
宋慧敏 (Hui-Min Sung)
國立中山大學化學研究所
一、中文摘要 許多含鋅酵素的活化中心架構都是以 有不同數量(n=1~4)的含硫原子配位的胺 基酸對鋅金屬中心做配位，藉由不同配位 子的組合來調控金屬活化中心。在 DNA 修復中扮演重要角色的硫上烷化酵素之結 構鑑定顯示其鋅金屬活化中心全是以硫原 子為配位環境，這是極為少見的現象。此 外像是酒精去氫酵素、碳酸酐酵素等都是 含鋅之錯合物。以含硫之鋅化物來模擬含 鋅酵素之研究最近引起大家一些興趣，可 是這些研究常常產生多核鋅化物使得問題 更複雜化，因此如何去設計修改配位基的 架構顯得相當重要。本計劃提出利用螯合 配位子([氮,硫]二牙基，[磷,氮,硫]或[磷,硫, 氮]三牙基)來合成鋅化物以進行其烷化反 應之模擬研究。然而在真實生物系統中， 鋅酵素的配位環境並無磷原子配位至鋅金 屬的例子，但是由於磷原子與硫原子大小 相近，且磷原子能提供較大的立體效應， 更能模仿蛋白質長鏈，故本計劃期望合成 含磷、硫配位子之錯合物，藉與其他模擬 研究相比較，希望能了解多硫鋅中心之反 應性及其本質。 基, 三牙基 AbstractMany zinc enzymes have sulfur con- taining amino residues coordinated to their zinc active centers. It is known that different combination of ligands around zinc center may alter the nature of the active site. The DNA repairing enzyme, S-alkylating en- zymes, have the rare all-sulfur coordination environment. Therefore the logic model using zinc thiolates to mimic these enzymes attracted much interest. However the bridging nature of the thiolates often leads to multinuclear zinc complexes and further complicates the issue. We have synthesized some [N,S] bidentate, [P,N,S] or [P,S,N] tridentate ligands for the purpose of examining possible alkyl transfer reaction in their zinc complexes. Although phosphorus is never a coordinating atom in the real life system, we believe that its similar size to sulfur atom and larger steric effect may in fact offer a more tunable (both electronically
The works on zinc complexes were limited due to difficulties in their characterization. However we have obtained X-ray structure of one copper thiolate complex and that of more than twenty metal complexes with various metal centers (e.g. Cu, Pd, Ag.).
二、緣由與目的 鋅金屬離子是生物體中含量第二高的 金屬離子，含鋅金屬的生物酵素種類相當 的多[1-3]，都分別主宰著生物體內重要的生 理反應。像是碳酸酐酵素[2]、酒精去氫酵 素[4]的組成都是含鋅之錯合物。另外，烷
基轉移反應(alkyl group transfer reaction) 在 DNA 修補過程中更是一個相當重要的 步驟。這種催化烷基轉移反應的鋅酵素之 鋅離子周圍環境是全硫的配位環境[2]，研 究至今，一般都是認為在烷基化反應中硫 原子去攻擊烷基的反應性是由中心鋅離子 所控制的，而控制的機制到目前為止還不 是很清楚。 在生物酵素中，控制活化中心的重要 因素是配位基，而配位基的配位數、立體 構型、價數種類等特性[4]的差異，都會影 響到中心金屬的氧化態，金屬氧化態改變 之難易，主要是與配位環境中電子的傳遞 有關。金屬跟配位基上的不同原子鍵結， 或是使用配位基的另一種異構物及改變配 位數都會影響到電子傳遞的難易。 本計劃欲藉由磷原子的引入來改變鋅 金屬中心的電子密度及控制立體障礙的大 小，由此可提供一個與一般模擬配位環境 不同的對比參考。本計劃擬合成含不同配 位原子(氮、硫、磷)的多芽基鋅錯合物， 藉著改變多芽配子上不同的取代基、不同 的烷化攻擊試劑和不同的溶劑效應以研究 影響硫烷基化的各種控因及結構特性。 三、結果與討論 本計劃在第一階段研究中藉由縮合反 應合成出了數個簡單的氮硫二芽配位子 (見圖一)，計劃構想係企圖藉由改變氮端 取代基的不同來調整配位子的電子雲分 佈，以探討鋅錯合物的結構與配位形態。 此外，硫配子以硫醇(根)形式存在，則可 增加其配位能力。 N SH N SH Cl N HS SH PPh2 NS-1 NS-2 NS-3 PS 圖一 NS 和 PS 配位基示意圖 將氮硫二牙配位基與等劑量鋅鹽反應 後可得到一系列難以鑑定的鋅錯合物，雖 多次嘗試長晶但無法得到適當的晶體以進 行 X-光單晶繞射解析。然而經由文獻的經 驗推斷，此類型的配位基其鋅錯合物應以 二聚體結構為主要產物，金屬中心為四面 體架構，硫配子則為主要橋基，因此單體 鋅錯合物存在的機會則相對較小，主要原 因是硫醇根傾向橋接的本質使得其在配位 數不滿足的鋅錯合物中更易於作為橋基而 圖二 錯合物 1 之單晶結構圖
降低單體產物的得到。後來將合成出的磷 硫二牙配位基(見圖一)與鋅鹽反應，則得 到鋅錯合物 1 之晶體結構(圖二)，其結果 僅為一個配位基氧化之特殊 ML2型架構。 單牙或雙牙基金屬錯合物由於架構較 為簡單，與生物體酵素結構相距甚遠，因 此本計劃朝著三牙基錯合物的方向去研究 [5, 6]。為探討不同配位能力的配位基對金屬 錯合物結構上的影響，以改變硫上的取代 基而得到不同的 PNS 配位基(圖三所示)。 PNS-1, n=1, R=2-butyl PNS-2, n=1, R=isopropyl PNS-3, n=1, R=n-butyl PNS-4, n=2, R=methyl n PPh2 N SR H PNS-1H, n=1, R=2-butyl PNS-2H, n=1, R=isopropyl PNS-4H, n=2, R=methyl n PPh2 HN SR H 圖三 PNS 配位基示意圖 三牙配位基 PNS-1、PNS-1H 與 ZnCl2反應 得到之錯合物 1 及 2，經由光譜證據顯示 出其鋅錯合物的結構(圖四)與早期所得到 PPh2 NH Zn Cl Cl S HR PPh2 N Zn Cl Cl S HR (2) (3) 圖四 錯合物 2 與 3 之結構示意圖 之鋅錯合物 Zn(PNS-3)I2相似(圖五)，硫原 子均懸盪在外未參與配位，僅由磷氮原子 螯 合 配 位 。 爾 後 嘗 試 加 入 Ag(OTf) 及 Ag(ClO4)與鋅錯合物 2 進行陰離子置換反 應，企圖以此方式迫使硫原子因配位不滿 足而參與配位，但是卻得到以銀離子取代 鋅離子之特殊架構錯合物 4(圖六)，其結構 應為[AgL(HL)][ClO4]2 但亦不能完全排除 之[AgL2][ClO4]2異常銀二價錯合物。 圖五 錯合物 Zn(PNS-3)I2之單晶結構圖 圖六 錯合物 4 之陽離子結構圖 NH Ag S P P Ag NH S Ph Ph Ph Ph 2+ P Ph2 Pd NH S Cl Cl -2ClO4 -P Ph2 Ag NH S PPh2 N H2 S 2+ 2ClO4 -P Ph2 Cu N S X X=Cl(5), Br(6) P Ph2 N Cu SMe Ph2 P N MeS BF4 -+ P Ph2 N Cu X X SMe Ph2 P N Cu MeS X=Cl(8), Br(9), I(10) (7) N Ph2P S Cu N PPh2 S Cu S BF4 -+ (11) (13) (12) (4) NH Ni S HN P Ph2 Ph2 P O Ni S Cl Cl Ni NH Ni S NH Ph2 P P Ph2 O S 2+ 2ClO4 -(14) P Ph2 Cu NH S Cl P Ph2 NH Cu Cl Cl S Ph2 P NH Cu S (15) (16) 圖七 錯合物 4-16 之結構示意圖
除了鋅鹽之外，吾人更將數個 PNS 配位基 去和不同的後過渡金屬鹽類(銅、銀、鈀、 鎳鹽)反應，得到錯合物 4-16 之固態結構 (圖七)。亞銅錯合物 5-11 中，亞胺基和第 三配位子硫醚基之間碳數為二時，能成功 合成出三牙螯合錯合物；而碳數為三時， 將得雙牙配位之亞銅錯合物。由錯合物 5-6 的固態結構發現，由於受到配位基和亞銅 離子配位後所造成之六圓環和五圓環張力 的影響，使得錯合物的四面體架構嚴重扭 曲；若將三牙螯合配位之單核亞銅錯合物 與硫酚根反應可得錯合物 11(圖八)，其中 硫酚根以μ2-η1 的形式橋接兩個金屬中 心。由鈀錯合物 13 的固態結構(圖九)得到 硫醚基有配位到金屬上，顯示出弱配位能 力的硫醚基與鈀離子鍵結的意願比鋅離子 還強。將錯合物 13 之晶體溶於氘溶劑，於 圖八 錯合物 11 之陽離子結構圖 圖九 錯合物 13 之單晶結構圖 NMR 圖譜發現有兩組相對應的錯合物訊 號，並藉由變溫 NMR 得到兩對應之訊號 有結合的現象，推測在溶液態下含有兩種 配位模式相近的鈀錯合物，不同之處可能 僅於硫醚鍵結與否的差別，且兩錯合物有 可逆的關係存在。 相同配位基 PNS-1H 以兩種不同路徑 反應，得到的晶體由 X 光單晶繞射結果顯 示為兩種結構不同的錯合物 4 及 12(圖十 NH Ag P S P H2N S Ph Ph Ph Ph NH Ag P S Ph Ph 2ClO4 -2+ 2ClO4 -2+ EtOH / Et2O NH Ag P Ph Ph S or HN S Ph2P ZnCl2/CH3CN AgClO4/CH3CN NH Zn P S Cl Cl Ph Ph 2+ 2ClO4 -NH P S Ag NH S Ag Ph PhPh Ph (12) AgClO4/CH3CN (4) 圖十 錯合物 4 和 12 之反應途徑 )，兩錯合物的 NMR 極為相似，顯示錯合 物 4 在溶液態下的初期配位模式可能與錯 合物 12 相似，長晶過程中才形成錯合物 4 (圖十)，同時錯合物 4 的元素分析結果發 現 13 在長晶前便帶有兩個過氯酸根，其可 能來源為銀離子。同樣將 PNS-1H 與鎳鹽 反應得到鎳錯合物，再加入 Ag(ClO4)混合 反應後長晶，經由單晶繞射解析結果顯示 為四核鎳錯合物 14(圖十一)，結構中同時 存在有兩個平行四邊形和兩個四面體的鎳
圖十一 錯合物 14 之陽離子結構圖 離子配位架構。陽離子帶有兩價正電，經 由文獻[7-12]交叉比對後猜測含有兩個一價 以及兩個二價的鎳離子。未參與配位的磷 原子在長晶過程中被氧化，此磷氧鍵長介 於磷氧雙鍵及單鍵範圍值內，推測是因為 氧原子與胺基上的氫原子之間存在有分子 內氫鍵而導致磷氧鍵被拉長(圖十二)。 N Ni S N PPh2 Ph2P Ni S Cl Cl Ni N Ni S N Ph2P PPh2 S O O H H H H 圖十二 錯合物 14 分子內氫鍵之示意圖 比較亞銅錯合物 5-11 與 15-16，亞胺 基以及胺基分別與亞銅離子鍵結時，由晶 體結構顯示，兩者的配位能力在鍵長表現 的差異不大；不過較具易曲度(flexibility) 的胺基減緩了一些在亞胺基銅錯合物配位 的張力，使得銅中心較能回歸正常四面體 之配位架構。然而第三配位子硫原子所接 的烷基將不影響硫醚配位至亞銅離子的能 力。 PNS 配位基與鋅離子反應後，由於鋅 的配位數已滿足，促使位於長鏈上的硫原 子配位到鋅的機會降低。有鑑於此，設計 出三種 PSN 配位基(圖十三)，PSN-1 及 PSN-2 欲利用有強配位能力的磷氮原子與 鋅鍵結後，來迫使處於中端的硫醚配位， 而 PSN-3 則是希望能同時與軟硬不同性質 的兩個金屬離子鍵結。 S PPh2 N S NH2 PPh2 S N PPh2 PSN-3 PSN-1 PSN-2 圖十三 PSN 配位基示意圖 我們嘗試將 PSN-1 與鋅鹽反應，卻得 到僅以磷氮原子配位的鋅錯合物 15(圖十 四)，由於配位基較為剛硬，不易扭曲導致 硫原子的孤對電子之位向無法配位到鋅 上。PSN-2 及 PSN-3 亦有與鋅鹽混合反 應，但目前還沒有得到其晶體。此外，三 圖十四 錯合物 15 之單晶結構圖 個 PSN 配位基更去分別和數個不同的後 過渡金屬鹽類反應，從有得到晶體的錯合 物 16-19 之結構發現(圖十五)，僅 PSN-2 上的三個配位子皆有和金屬離子產生鍵 結，而經由 PSN-1 生成的銀及鈀錯合物之 配位模式也有以磷氮配位及磷硫配位的不 同，這是因為屬於軟性的鈀離子較喜歡與 同為軟性的硫原子鍵結所造成的。同時由 錯合物 17 的 X 光繞射解析的結果(圖十六)
P Ph2 Ag N S + ClO4 -(16) P Ph2 Pd S N Cl Cl (17) S Ag NH P P S Ag HN Ph Ph Ph Ph + 2ClO4 -P Ph2 Pd S N Cl Cl (18) (19) 圖十五 錯合物 16-19 之結構示意圖 顯示，在不對稱的單元內有三個錯合物分 子及三個溶劑分子結晶在其中，由錯合物 17 的分子堆積圖(圖十七)可以發現到分子 與分子間除了有存在苯環上氫原子與鍵結 圖十六 錯合物 17 之單晶結構圖 在鈀金屬上氯原子之分子間氫鍵作用力 外，某些分子上的鈀離子與另一分子上的 硫原子之間亦有些微的作用力，藉由這些 作用力導致三個分子同時存在一個單元 內。在相似結構的錯合物 19 中卻沒有發現 這些作用力的存在。 為了更加了解配位原子對金屬錯合物 圖十七 錯合物 17 之分子堆積圖 結構上的影響，更是合成出不含硫原子的 配位基 PNN-1 和 PNN-2(圖十八)，希望以 比硫醚有更強配位能力的胺基配位子來與 鋅鹽作用能得到 PNN 三芽配位的鋅錯合 物。除了鋅鹽外，更將 PNN 配位基與多種 後過渡金屬鹽類(銅、銀、鈀、鎘等鹽類) 進行各種不同的反應，並有得到十數個晶 體結構。 PPh2 N N PPh2 N H N PNN1 PNN2 圖十八 PNN 配位基示意圖 到目前為止，本實驗室成功的合成出 十數個二牙(NS、PS) 、三牙(PNS、PSN、 PNN)及多牙配位基(PS3)並進行金屬錯合 物的探討，雖然在鋅錯合物方面的成果不 如預期，但是藉由這些配位基和其他後過 渡金屬鹽類(銅、鎳、銀、鈀、鎘、鍺、錫 等鹽類)反應所得到的近五十個錯合物之 單晶結構，可以讓本實驗室在錯合物的研 究與配位基的設計則能有更深入的認知。 四、計劃成果自評
本計畫主要的目的是希望能合成出含 硫配位鋅錯合物，進而去模擬生物體內一 些含硫配位之鋅酵素的催化機制。目前已 成功合成出數種不同的含硫配位基(NS、 PS、PNS、PSN)，同時也與鋅鹽進行多種 不同的反應路徑，如陰離子置換及硫酚的 加入等，但可惜未能純化分析得到晶體而 使得結果不如預期。話雖如此，這些含硫 配位基在與其他後過渡金屬鹽類反應成果 方面，除了得到了二十多個錯合物的晶體 結構外，還有相當多的錯合物也經光譜證 據鑑定。有的已知結構的金屬錯合物可應 用於模擬銅藍蛋白酵素的催化[13]；更有數 個金屬錯合物或能擔任在醛類和有機烷化 鋅試劑(ZnR2)的鏡像選擇性加成反應中的 有機 鋅試 劑[14]， 以及 應用於 碳 -氮偶合 [15]、炔類氫化[16]與一氧化碳插入[17]等反應 的催化之中，藉由半安定基[18]的效應，使 得配位基產生離合作用而讓金屬中心能去 活化受質達到催化的效用。總而言之，所 得到的成果在本計劃來說雖不中亦不遠 矣。但是對於其他相關研究成果則可說是 開啟了許多研究大門，若能更進一步的將 成果拓展於生化模擬及工業催化劑等研究 的話，對於含多硫配位環境的金屬錯合物 之應用方面必有重要的貢獻。 五、參考文獻 [1] [2] [3] [4] [5]
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