含鎳超氧化物歧化酶擬態化合物之理論計算反應機制之探討

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(1)國立台灣師範大學化學系碩士論文. 含鎳超氧化物歧化酶擬態化合物之理論計算反應機制之探討. Computational Mechanism Study for Superoxide Disproportionation of a Model Complex for Nickel Superoxide Dismutase. 研究生：溫淑如. 指導教授：李位仁博士指導教授：蔡明剛博士. 中華民國一零二年七月.

(2) 目錄中文摘要..................................................................................................... I 英文摘要.................................................................................................... II 圖索引....................................................................................................... III 表索引...................................................................................................... IX. 第一章緒論第一節超氧化物歧化酶之相關文獻探討 .............................................. 1 一、銅/鋅超氧化物歧化酶，Cu/ZnSOD ......................................... 3 二、含錳及含鐵超氧化物歧化酶，MnSOD and FeSOD ............... 4 三、含鎳超氧化物歧化酶，NiSOD ................................................. 4 第二節含鎳超氧化物歧化酶擬態化合物的研究 ................................ 11. 第二章計算原理第一節量子力學 .................................................................................... 16 第二節計算化學的理論與方法 ............................................................ 18 一、分子力學.................................................................................... 18 二、初始法(ab initio) ........................................................................ 19 三、半經驗法.................................................................................... 20.

(3) 四、密度泛函理論............................................................................ 21 第三節基底函數(Basis Sets) ................................................................. 22 第四節計算方法 .................................................................................... 28 一、單點能量.................................................................................... 28 二、幾何優化.................................................................................... 28 三、振動頻率.................................................................................... 30 四、溶劑效應.................................................................................... 30 第五節本篇論文的計算方法 ................................................................ 33. 第三章結果與討論前言........................................................................................................... 34 第一節幾何結構比較 ............................................................................ 37 一、錯合物[Ni(H2BDPP)(tBuNC)](BF4)2 (1-tBuNC)的優化結構比較 ............................................................................................................ 37 二、錯合物[Ni(HBDPP)](ClO4) (2)的優化結構比較 ..................... 40 三、錯合物[Ni(BDPP)](PF6) (3)的優化結構比較 .......................... 42 四、錯合物[Ni(BDPP)] (4)的優化結構比較 .................................. 45 第二節計算分析之反應架構 ................................................................ 48 第三節氧化階段之可能機構及其計算分析 ........................................ 49.

(4) 一、路徑 A 的能量圖及反應機制之探討 ...................................... 54 二、路徑 B 的能量圖及反應機制之探討 ....................................... 59 三、路徑 C 的能量圖及反應機制之探討 ....................................... 62 四、氧化階段各反應機制之能量比較 ........................................... 66 第四節氧化階段中路徑 A 之各電子結構探討 ................................... 67 第五節還原階段的反應機制探討 ........................................................ 73 第六節本研究與酵素反應機制之比較 ................................................ 80. 第四章結論第一節結論............................................................................................. 85 第二節未來展望 .................................................................................... 86 參考文獻................................................................................................... 87.

(5) 中文摘要含脯胺酸衍生物之五牙基二價鎳錯合物 [Ni(H2BDPP)(tBuNC)](BF4)2 (1-tBuNC)，藉由二價及三價鎳之間的氧化態轉換，具有將超氧離子進行歧化反應之能力，使其生成氧氣及過氧化氫分子。衍生物[Ni(BDPP)](PF6) (3)則具有將超氧離子氧化生成氧氣之能力。為了瞭解此擬態化合物之反應機制，本研究利用 DFT 理論計算的方法，提出四種可能路徑，並針對各反應過程中的過渡態及其電子組態之改變進行分析及探討。根據各反應之能量，推得出最合理的反應機構如下：二價鎳錯合物[Ni(H2BDPP)]2+ (1m)被超氧離子去質子化生成四配位平面四方構型的[Ni(HBDPP)]+ (2m)及超氧化氫自由基，接著超氧化氫自由基與錯合物 2m 的鎳中心鍵結，並進行氫原子轉移(HAT) 反應生成[Ni(BDPP)]+ (3m)及過氧化氫，隨後錯合物 3m 再與第二個超氧離子反應，經由電子轉移生成[Ni(BDPP)] (4m)及氧氣。在此機制中，鎳錯合物是以高自旋組態(high spin state)下進行反應，速率決定步驟為超氧化氫鍵結到錯合物 2m 之二價鎳中心進行氫原子轉移反應。此理論計算的結果，使我們對於此擬態化合物之歧化反應有更進一步的瞭解。. 關鍵字：理論計算、超氧化物歧化酶擬態化合物、反應機制 I.

(6) Abstract A NiII complex, Ni(H2BDPP)(tBuNC)](BF4)2 (1-tBuNC), supported by a. prolinol-containing. pentadentate. ligand,. 2,6-bis(((S)-2-. (diphenylhydroxymethyl)-1-pyrrolidinyl)methyl)pyridine (H2BDPP), is able to catalyze the disproportionation of O2− into O2 and H2O2 through a cycle of NiII and NiIII oxidation states. Its derivative, [Ni(BDPP)](PF6) (3), has shown the capability to oxide O2− to form O2. To understand the mechanism of this process, a series of density functional theory (DFT) calculations and analysis were carried out. Four possible reaction mechanisms are proposed, and the activation energy and detail for the change of the electron distribution for each mechanism are analyzed. The most energetically reasonable mechanism is described as following. First, the NiII complex, [Ni(H2BDPP)]2+ (1m), reacts with O2−, which acts as a base to deprotonate the prolinol of the ligand, to form a deprotonated square-planar intermediate, [Ni(HBDPP)]+ (2m), with the formation of HOO• radical. The produced HOO• radical further coordinates to the NiII center of 2m and proceeds hydrogen atom transfer (HAT) to generate [Ni(BDPP)]+ (3m) and H2O2. Once complex 3m is formed, it immediately reacts with the second O2− and electron transfer occurred to generate [Ni(BDPP)] (4m) and O2. This mechanism proceeds under high spin state of Ni cmplexes and the rate determining step is the coordination of HOO• to the NiII center of 2m for the HAT reaction. This theoretical investigation provides a useful insight into the mechanism of our NiSOD mimics. keyeords: DFT calculation, NiSOD model complex, reaction mechanism II.

(7) 圖索引圖 1.1 三類型 SOD 的活性中心............................................................. 3 圖 1.2 Cu/ZnSOD 的蛋白質結構與活性中心 ....................................... 3 圖 1.3 MnSOD(或 FeSOD)的蛋白質結構與活性中心 ......................... 4 圖 1.4 鏈黴菌 Streptomyces 及藍綠藻 Cyanobacteria ......................... 5 圖 1.5 NiSOD 的蛋白質結構與活性中心.............................................. 5 圖 1.6 NiSOD 對超氧離子之歧化反應.................................................. 6 圖 1.7 NiSOD 於文獻上利用理論計算得到的反應機構 ..................... 7 圖 1.8 NiSOD (R=H)及仿生化合物 NiM1 (R=CH3)活性中心 ............... 8 圖 1.9 NiM1 於室溫下不同溶劑中之動力學實驗 .................................. 8 圖 1.10 Ni(III)M1 + TEMPO-H 在室溫(25 °C)的平衡反應 .................... 9 圖 1.11 Shearer 提出的超氧化物與 NiM1 之反應機制 .......................... 10 圖 1.12 具脯胺醇的多牙配位基，H2BDPP ........................................ 11 圖 1.13 錯合物 1-tBuNC 及其衍生物 2、3 及 4 .................................. 11 圖 1.14 左：錯合物 3 與超氧化鉀於乙腈下反應之 UV/Vis 光譜圖；右：錯合物 1-tBuNC 與超氧化鉀於乙腈下反應之 UV/Vis 光譜圖 ..................................................................................................... 12. III.

(8) 圖 1.15 左：錯合物 1-tBuNC 與超氧化鉀於乙腈下反應 4 分鐘後之 UV/Vis 光譜 deconvoluted 分析圖；右：錯合物 1-tBuNC 與超氧化鉀反應之 UV/Vis 經 deconvoluted 分析後各成分所佔比例圖 ................................................................................................. 14 圖 1.16 錯合物 1-tBuNC 與超氧化物反應之可能流程........................ 15 圖 2.1 勢能面(Potential Energy Surface, PES)的示意圖 ..................... 29 圖 2.2 溶劑的反應場模型 ..................................................................... 31 圖 3.1 NiSOD 對超氧離子之歧化反應................................................ 34 圖 3.2 錯合物 1-tBuNC 與超氧離子反應之可能流程........................ 35 圖 3.3 (A)[NiII(H2BDPP)(tBuNC)](ClO4)2 (1-tBuNC)之晶體結構及其 Chemdraw；(B)優化後具有第六配位 acetonitrile 的 1m-ACN 之結構；(C)優化後不具有 tBuNC 的五配位錯合物 1m 之結構 ..................................................................................................... 39 圖 3.4 (A) [Ni(HBDPP)](ClO4) (2)之晶體結構及其 Chemdraw；(B) 計算優化後的錯合物 2m 之結構 ................................................... 41 圖 3.5 (A) [Ni(BDPP)](PF6) (3)之晶體結構及其 Chemdraw；(B)計算優化後的錯合物 3m 之結構 ....................................................... 43 圖 3.6 上：錯合物 3 的 EPR 圖譜；下：NiSODOX 的 EPR 圖譜 ..... 44. IV.

(9) 圖 3.7 (A) [Ni(BDPP)] (4)之晶體結構及其 Chemdraw；(B)計算優化後的錯合物 4m 之結構 ............................................................... 46 圖 3.8 錯合物 1-tBuNC 與超氧離子反應後可能經過路徑................ 48 圖 3.9 路徑 A 之反應機構 .................................................................... 49 圖 3.10 路徑 B 之反應機構 .................................................................... 50 圖 3.11 路徑 C 之反應機構 .................................................................... 50 圖 3.12 超氧化物自身氧化還原之路徑................................................. 51 圖 3.13 錯合物 2m 與超氧化物進行掃描之示意圖 ............................... 52 圖 3.14 錯合物 2m 與超氧化物進行掃描計算之能量變化圖............... 52 圖 3.15 超氧化物與錯合物 2m 反應之可能位向 ................................... 53 圖 3.16 左：錯合物 1-tBuNC 與超氧化物反應的 EPR 圖譜；右：錯合物 3 的 EPR 圖譜 ....................................................................... 54 圖 3.17 反應路徑 A 之能量變化圖 ........................................................ 56 圖 3.18 反應路徑 A 的各個反應結構及其重要鍵長及自旋電子分布， singlet/triplet ............................................................................. 56 圖 3.19 過渡態 TS1 參與氫原子轉移之分子軌域，左：bonding orbital；右：anti-bonding orbital ........................................................... 57. V.

(10) 圖 3.20 左：Int-A1 至 TS1 的重要自旋電子密度改變量；右：TS1 中重要原子的編號 ......................................................................... 58 圖 3.21 配位基上的氧之電子自旋方向改變示意圖；左：當氧上帶有 α 電子時，無法與鎳配位(S = 3/2)；右：當氧上 α 電子轉成 β 電子時，可與鎳配位並生成正三價鎳離子的錯合物 3m (S = 1/2) ..................................................................................................... 59 圖 3.22 反應路徑 B 之能量變化圖 ........................................................ 60 圖 3.23 反應路徑 B 的各個反應結構及其重要鍵長及自旋電子分布， singlet/triplet ............................................................................. 61 圖 3.24 過渡態 TS2 參與質子及電子轉移之分子軌域，左：bonding orbital；右：anti-bonding orbital ............................................ 61 圖 3.25 反應路徑 C 之能量變化圖 ........................................................ 62 圖 3.26 反應路徑 C 的各個反應結構及其重要鍵長及自旋電子分布， singlet/triplet ............................................................................. 63 圖 3.27 過渡態 TS3 參與質子及電子轉移之分子軌域，左：bonding orbital；右：anti-bonding orbital ............................................ 63 圖 3.28 左：Int-C 至 TS3 的重要自旋電子改變量；右：TS3 中重要原子的編號 ..................................................................................... 65 圖 3.29 超氧氫自由基自身氧化還原之路徑......................................... 66 VI.

(11) 圖 3.30 路徑 A 之反應機構 .................................................................... 67 圖 3.31 錯合物 1m 的 d 軌域電子組態 ................................................... 68 圖 3.32 錯合物 2m 的 d 軌域電子組態 ................................................... 68 圖 3.33 Int-A1 的 d 軌域電子組態 ......................................................... 69 圖 3.34 羥基上的氫原子轉移至過氧化氫分子之反應示意圖 ............ 70 圖 3.35 鎳離子提供 α 電子與氧上的 β 電子配對並生成鍵結之反應示意圖 ............................................................................................. 70 圖 3.36 上：錯合物 1m 與超氧離子反應的反應機構；下：反應過程中電子結構改變圖 ......................................................................... 72 圖 3.37 氧化階段的反應機制 ................................................................. 73 圖 3.38 還原階段的反應機制 ................................................................. 73 圖 3.39 還原階段的能量變化圖............................................................. 74 圖 3.40 還原階段中各個反應結構及其重要鍵長及自旋電子分布 .... 74 圖 3.41 二中間體 Int-R1 及 Int-R2 改變鎳氧距離之能量掃描圖 ....... 76 圖 3.42 由能量掃描圖推得之反應能量圖............................................. 78 圖 3.43 錯合物 3m 的 d 軌域電子組態 ................................................... 79 圖 3.44 Int-R1 及 Int-R2 的 d 軌域及超氧化物的電子組態 ................ 79. VII.

(12) 圖 3.45 還原階段中，與超氧離子鍵結之軌域比較 ............................. 81 圖 3.46 錯合物 3m 與超氧離子鍵結之分子軌域 ................................... 81 圖 3.47 氧化階段中，超氧化氫分子生成過氧化氫之過渡態比較 ..... 82 圖 3.48 本研究計算的總反應機制位能圖及 UV/vis 光譜 deconvoluted 分析圖 ......................................................................................... 84 圖 4.1 本研究計算的總反應機制......................................................... 85 圖 4.2 本研究室目前開發之 H2BDPP 配位基及其衍生物 ................ 86. VIII.

(13) 表索引表 3.1 [Ni(H2BDPP)(tBuNC)](BF4)2 (1-tBuNC)與其六配位(1m-ACN) 及五配位(1m)優化後結構的鍵長鍵角表 ............................................... 38 表 3.2 錯合物[Ni(HBDPP)](ClO4) (2)與優化後結構 2m 的鍵長鍵角表 ................................................................................................................... 40 表 3.3 錯合物[Ni(BDPP)](PF6) (3)與優化後結構 3m 的鍵長鍵角表 . 42 表 3.4 錯合物[Ni(BDPP)] (4)與優化後結構 4m 的鍵長鍵角表.......... 45 表 3.5 氧化階段中各反應路徑之活化能............................................. 66. IX.

(14) 第一章緒論第一節超氧化物歧化酶之相關文獻探討超氧化物歧化酶(Superoxide dismutases, SOD) 1，為一種生物體自行產生抗氧化的酵素，並廣泛地存在於各類動物、植物、微生物中，此酵素能使細胞免於因自由基攻擊所造成的毀損或突變，是生物體中極為重要的抗氧化劑。SOD 可催化超氧離子(superoxide, O2․‒)2 發生自身氧化還原反應，生成氧氣及過氧化氫：. 超氧離子為生物體在進行新陳代謝時所產生之副產物，為一具有高活性之物質。當其在生物體內時，易與水分子或其他含氧物質產生活性氧化物(reactive oxygen species, ROS)。ROS 為具有高度氧化力之物質，當細胞內 ROS 過量時會攻擊生物體內的 DNA、蛋白質與細胞膜脂質，將造成無法修復之傷害。如脂質被 ROS 攻擊時，會使未飽和脂肪酸被氧化及破壞，導致脂質過氧化物(lipid peroxide)的生成，而當血清中脂質過氧化物濃度過高則容易誘發烏腳病與動脈硬化等心血管疾病 3。此外，超氧離子在生物體中還會與一氧化氮(NO)反應，生成 reactive nitrogen species (RNS)4，此物若過量亦會造成細胞傷害。 1.

(15) 當在新陳代謝過程中產生超氧離子時，SOD 即能發揮重要的保護作用。在細胞內的 SOD 存在能減少氧化反應，是緩和老化的關鍵角色。因此，SOD 被用作抗氧化治療劑。其他醫療應用包括治療關節炎和預防癌症治療及器官移植的副作用，也可用於阻止由於基因突變所造成的家族型肌萎縮側索硬化症 (familiar amyotrophic lateral sclerosis, FALS) 5 這種麻痺疾病的發展。當超氧離子在生物體中濃度升高時，SOD 將對其進行歧化反應，並使其轉變成 O2 和 H2O2 (pH = 7 時，反應速度約為 105 M-1s-1)。因此，在控制生物體內自由基含量的系統中，SOD 是非常重要的 6。. SOD 催化超氧離子的歧化反應可分為兩個步驟：氧化反應：M(n+1)‒SOD + O2‒  Mn+‒SOD + O2 還原反應：Mn+‒SOD + O2‒ + 2H+  M(n+1)‒SOD + H2O2 其中 M 可為 Cu (n = 1)、Mn (n = 2)、Fe (n = 2)、Ni (n = 2)等離子，即 SOD 有銅/鋅、錳、鐵或鎳等四種活性中心，共分為三種類型(圖 1.1)。第一類為銅/鋅超氧化物歧化酶，Cu/ZnSOD7，第二類為含錳及含鐵超氧化物歧化酶，MnSOD and FeSOD8，以及第三類為含鎳超氧化物歧化酶，NiSOD9。而在反應中，金屬的氧化態在 n 和 n+1 之間來回。. 2.

(16) 圖 1.1 三類型 SOD 的活性中心. 在此，我們將針對目前己被發現的三類超氧化物歧化酶分別做介紹：一、銅/鋅超氧化物歧化酶，Cu/ZnSOD7 Cu/ZnSODs 是所有超氧化物歧化酶中數量最豐富的，被廣泛地發現在真核生物和許多原核生物中。大多數從真核細胞分離出的 Cu/ZnSOD 酵素呈淡藍色，分子量約為 32k Da。其具有兩個相同次單元體(subunit)，每個次單元體都有一個活性中心，且有皆一個銅離子和一個鋅離子存在於其中。. 圖 1.2 Cu/ZnSOD 的蛋白質結構與活性中心. 3.

(17) 二、含錳及含鐵超氧化物歧化酶，MnSOD and FeSOD8 Keele 等人首先在 1970 年於大腸桿菌中分離出 MnSOD，此酵素呈淡紅色，主要存在於原核細胞與真核細胞的粒線體中，是粒線體中主要的抗氧化酵素，負責轉化粒線體中產生的超氧離子。MnSOD 每個單元體分子量約 19~24k Da，每個單元體中含有一個錳離子。錳離子與三個 His 及 Asp 鍵結。 FeSOD 也是由大腸桿菌中被分離出來，此酵素呈淡黃色。其分布於藻類、原核細菌細胞基質中。FeSOD 的氨基酸序列與 MnSOD 相當相似，此酵素是由兩個蛋白質單元體組成，活性中心則是以三個 His 及 Asp 與鐵離子鍵結，分子量約為 8.5~22k Da。. 圖 1.3 MnSOD(或 FeSOD)的蛋白質結構與活性中心. 三、含鎳超氧化物歧化酶，NiSOD9 1996 年， Youn 等人於鏈黴菌 (Steptomyces) 及藍綠藻 (cyanobacteria)9a (圖 1.4)中發現有 NiSOD 的存在，經由 X-ray 解析後 4.

(18) 可知其為四個蛋白質單元體構成，分子量約為 53.7 kDa，而其活中心為鎳離子做為中心金屬，且周圍由 His1、Cys2、Cys6 等胺基酸殘基配位而成 10(圖 1.5)。. 圖 1.4 鏈黴菌 Streptomyces 及藍綠藻 Cyanobacteria. 圖 1.5. NiSOD 的蛋白質結構與活性中心. 還原態 NiSOD 活性中心的配位環境如圖 1.6 左所示，在鎳離子中心赤道面的平行四邊形上，配位著 His 上末端 amine 的 N 及 backbone 上 amide 的 N 以順式位向(cis arrangement)佔據平面四邊形的兩個角，與兩個亦為順式位向配位於平面四邊另外兩個角的 Cys 5.

(19) 上 thiolate 的 S，形成 NiIIN2S2 平面四角形結構；在氧化態 NiSOD 的活性中心則在原來的平面四角形構形上，因軸位 His 上 imidazole 的 N 配位至鎳離子中心，而形成 NiIIIN3S2 平面四角錐結構(圖 1.6 右側)。因此，藉由氧化態 NiSOD 與還原態 NiSOD 之間的轉變，使得 O2․‒進行歧化反應轉化成 O2 與 H2O2 釋出。. 圖 1.6 NiSOD 對超氧離子之歧化反應. 目前利用理論計算推測 SOD 的反應機構 10，如圖 1.7，在 Oxidative phase 時，O2․‒會先與溶劑中的質子生成超氧化氫自由基(•OOH)，並進入於還原態 NiSOD 活性中心與鎳離子中心鍵結後(12)，將可藉由活性中心周圍的胺基酸殘基 Cys2 上的硫醇進行質子轉移(23)生成 H2O2 ，同時正二價鎳離子中心氧化為正三價鎳離子(34)；緊接著 Reductive phase 時，由第二當量 O2․‒所產生的超氧化氫自由基會與氧化態 NiSOD 活性中心的正三價鎳離子配位(45)。此時，超氧化氫自由基上的質子移至胺基酸殘基 Cys2 上的硫原子(56)，O2․‒氧化成. 6.

(20) O2 釋出，而鎳離子還原成正二價(61)，完成 NiSOD 催化 O2․‒分別轉化成 O2 與 H2O2 釋出的循環反應。. 圖 1.7 NiSOD 於文獻上利用理論計算得到的反應機構 10. 最新的研究中 11，Jason Shearer 合成出具有與 NiSOD 活性中心周圍胺基酸相同胜肽鍵的 NiSOD 的仿生化合物，{Ni(SODM1H(1)HMe)} (NiM1; ε. SODM1H(1)HMe. =. H2N-HMeCDLPCGVYDPA;. HMe. =. N-methyl-histidine)，此仿生化合物在鎳二價及三價皆可穩定存在(圖. 7.

(21) 1.8)，在 pH = 8 時具有催化超氧化物自身氧化還原的能力，(k = 6×106M-1s-1)。. 圖 1.8 NiSOD (R=H)及仿生化合物 NiM1 (R=CH3)活性中心. 為了研究 NiSOD 將超氧離子還原成過氧化氫之反應機制， Shearer 利用 stopped-flow techniques 偵測超氧化物催化反應之動力學實驗(圖 1.9)，在室溫(25 °C)不同溶劑(H2O 及 D2O)下可測得，KIE (kinetic isotope effect)數值為 20(4)，為一相當大的數值。此 KIE 值支持此反應為一 PCET (proton-coupled electron-transfer)過程。. 圖 1.9 NiM1 於室溫下不同溶劑中之動力學實驗 11. 8.

(22) 從以上動力學實驗得知，仿生化合物 Ni(II)M1 藉由 PCET 過程將 O2․‒還原成 H2O2，自身則氧化成 Ni(III)M1，接著 Shearer 利用具有提供氫原子能力的化合物，如 ascorbate (BDFE = 73.6 kcalmole‒1)及 1-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine (TEMPO-H; BDFE = 71.0 kcalmole‒1)與氧化態 Ni(III)M1 反應，發現 TEMPO-H 可將氫原子轉移胺基酸殘基 Cys2 上的硫原子，並將 Ni(III)M1 還原至 Ni(II)M1(圖 1.10)，在室溫(25 °C)下，平衡常數 k 為 26.5(8)。. 圖 1.10 Ni(III)M1 + TEMPO-H 在室溫(25 °C)的平衡反應 11. 經由上述利用 NiSOD 仿生化合物的動力學實驗，Shearer 認為生物體中的 NiSOD 應具有類似之反應機制，當還原超氧離子時，會經由配位環境中的硫醇提供質子並經過一 PCET 反應，並且為此反應中的速率決定步驟(圖 1.11)。. 9.

(23) 圖 1.11 Shearer 提出的超氧離子與 NiM1 之反應機制 11. 10.

(24) 第二節. 含鎳超氧化物歧化酶擬態化合物的研究. 本實驗室江建緯博士利用脯胺酸作為起始物，合成具脯胺醇的多牙配位基， 2,6-bis(((S)-2-(diphenyl-hydroxy-methyl)-1-pyrrolidinyl) methyl)pyridine (H2BDPP)(圖 1.12)，並與鎳金屬鹽類反應後，即可得到用以模擬 NiSOD 之擬態錯合物 [Ni(H2BDPP)(tBuNC)](BF4)2 (1-tBuNC)，及其衍生物[Ni(HBDPP)](ClO4) (2)，[Ni(BDPP)](PF6) (3) 和[Ni(BDPP)] (4) (圖 1.13)。. 圖 1.12 具脯胺醇的多牙配位基，H2BDPP. 圖 1.13 錯合物 1-tBuNC 及其衍生物 2、3 及 4. 11.

(25) 將三價鎳錯合物 3 與超氧化物反應，經由 UV/vis 吸收光譜儀進行偵測(圖 1.14 左)，可見起始物三價鎳錯合物 3 的特徵吸收峰 300、 380 及 450 nm，在反應的過程中，錯合物 3 之特徵吸收峰逐漸減弱消失，取而代之是在 350 nm 的吸收峰生成，而此吸收峰為錯合物 4 的特徵吸收峰。此外，將金屬錯合物 1-tBuNC 與超氧化鉀反應，並且由 UV/vis 吸收光譜偵測反應進行(圖 1.14 右)，可發現加入錯合物 1-tBuNC 至超氧化鉀後，光譜會立即顯現如圖黑線之吸收峰，而隨後逐漸反應而遞減直到變為圖中 350 nm 吸收峰，產物經分離後可鑑定為五配位之二價鎳錯合物 4。並藉由 GC、過氧化物偵測試紙、添加過氧化物指示劑(LCV 或 NaI)以及 NMR 光譜等方法可分別偵測氧氣及過氧化氫分子的生成 12。. 圖 1.14 左：錯合物 3 與超氧化鉀於乙腈下反應之 UV/vis 光譜圖右：錯合物 1-tBuNC 與超氧化鉀於乙腈下反應之 UV/vis 光譜圖. 12.

(26) 將錯合物 1-tBuNC 與超氧化物反應之 UV/vis 光譜經由 deconvoluted 分析後可發現，反應過程中，錯合物 2、3、4 有機會分別以比例為 36:39:25 存在(圖 1.15 左)。若將所有反應時間所得圖譜進行 deconvoluted 分析，如圖 1.15 右，可見反應在一開始會形成大量被去質子化的錯合物 2，而隨著反應時間增加會逐漸遞減，直到約反應二十分鐘後消耗完畢；而三價鎳錯合物 3 則會逐漸生成，當反應時間達約六分鐘時，在溶液中所佔比例可達約 40%，再隨反應時間增加而逐漸遞減，並還原轉換為二價鎳錯合物 4；最後可見錯合物 4 在反應時會逐漸生成，直到約十分鐘後其可佔溶液比例約 90%，為最終產物。經由上述現象亦可發現，超氧化物可將二價鎳錯合物 1-tBuNC 經由去質子化後產生較 electron-rich 的錯合物 2，爾後再被超氧分子氧化至三價鎳錯合物 3 的狀態，並伴隨著過氧化氫的生成；而所生成的錯合物 3 則會持續與超氧離子反應生成氧氣，並還原回二價鎳錯合物 4。. 13.

(27) 圖 1.15 左：錯合物 1-tBuNC 與超氧化鉀於乙腈下反應 4 分鐘後之 UV/Vis 光譜 deconvoluted 分析圖；右：錯合物 1-tBuNC 與超氧化鉀反應之 UV/Vis 經 deconvoluted 分析後各成分所佔比例圖. 綜合以上實驗結果，我們推測含鎳錯合物 [Ni(H2BDPP)(tBuNC)](BF4)2 (1-tBuNC)與超氧離子進行反應時，會脫去一分子的質子而形成超氧化氫自由基，而錯合物 1-tBuNC 則轉變成四配位的錯合物 2。接著超氧化氫自由基再與錯合物 2 繼續反應，進行電子及第二個質子的轉移，生成過氧化氫以及五配位構型之三價鎳錯合物 3。最後，當過氧化氫離去後，錯合物 3 便會與另一個超氧離子進行電子轉移，而將超氧離子氧化成氧氣，並將自身還原成二價鎳錯合物 4。最後，經實驗証實，錯合物 4 可再加入 1 M HClO4 水溶. 14.

(28) 液後，回到起始具有雙醇基的錯合物 1-tBuNC，以完成歧化反應之流程(圖 1.16)。. 圖 1.16. 錯合物 1-tBuNC 與超氧化物反應之可能流程. 於是，本研究為了瞭解此擬態化合物之詳細的反應機制，將利用 DFT 理論計算的方法，針對反應過程中所有可能產生的中間物狀態進行分析及探討。. 15.

(29) 第二章. 計算原理. 第一節. 量子力學. 十七世紀，牛頓的古典力學解釋了宏觀物體的運動行為。而在二十世紀以前，物理學家發現古典力學無法正確描述像是電子和原子核這類微小粒子的行為。直到 1900 年，Max Plank 發展出合理解釋黑體輻射(Black body)的理論。在 Plank 的理論中，認為黑體輻射的能量吸收與放射是由微小粒子被限制在不連續的值上，也就是被量子化 (Quantized) 13。量子化合理的解釋黑體輻射的曲線，輻射能量(Energy， E)和其頻率(Frequency，𝑣)成正比，公式如下: E = h𝑣 h 為 Plank constant，其值為 6.626 × 10-34 J·sec。在古典力學的系統中，認為能量是連續的，Plank 理論中的能量不連續和古典力學系統是不一致的。1905 年，Albert Einstein 詮釋 Max Plank 的量子假說，並利用它解釋了光電效應(Photoelectric effect)，認為光有粒子的行為，稱為光子(Photons)。1923 年，De Broglie 提出物質的二重性(Duality)，認為物質都有波(Wave-like)和粒子(Particle-like)的性質。因此，為了要描述微小粒子的系統，需要新的機制，而開始了量子力學的發展。量子化學是利用量子力學來解決化學上的問題。量子化學可以計算分子的鍵長、鍵角、偶極矩、分子內旋轉的能障和異構物的能量差；. 16.

(30) 可以闡述化學反應的過渡態性質，藉此可估計反應常數；可以了解分子間的作用力 14；也可以分析未知化合物的 IR、UV 和 NMR 圖譜 15，所以我們可以利用量子化學來描述這些分子的行為，但是其中所涉及的方程式相當複雜，所需要的計算量是相當驚人的。隨著科技的高度發展，我們可以利用電腦來做量子化學的計算，分子的結構以及能量的求得也變得相當的容易，電腦儼然成為了計算化學家不可或缺的工具。. 17.

(31) 第二節. 計算化學的理論與方法. 計算化學的發展是利用數學的方法在電腦上面做計算，藉由這樣的方式在電腦上作化學問題的分析。在計算化學的理論背景中，大致上可分為分子力學(Molecular Mechanics)、初始法(ab initio)、半經驗法(Semi-Empirical)和密度泛函理論(Density Functional Theory) 四大類 16。其中分子力學是基於原子和化學鍵所建立的模型去計算出能量 15,16. ；而初始法和半經驗法的理論背景都是解 Schrödinger 方程式 13-18. 所得到的能量值，公式如下: Η𝛹 = Ε𝛹 E 為能量；H 稱為 Hamiltonian operator；Ψ稱為波函數(Wave Function)，為描述電子在原子核外可能出現的位置 17。而密度泛函理論所解的是 Kohn-Sham 方程式 13,16,19。. 一、分子力學分子力學不使用波函數和電子密度來描述分子，主要是利用簡易的方程式來表達分子內和分子間作用力的能量。這些作用力稱為力場 (Forces field) ，包含鍵的伸縮 (Bond Stretching) 、鍵的彎曲 (Bond Bending)、扭曲力(torsions)、靜電作用力(Electrostatic Interactions)、凡得瓦力(Van Der Waals forces)和氫鍵(Hydrogen Bonding)17。Bond stretching 和 bond bending 通常使用簡諧運動(Harmonic Oscillator)的 18.

(32) 公式來描述；分子間的作用力，像是凡得瓦力和氫鍵通常利用 Lennard-Jones equations 來敘述；敘述扭曲力的公式為餘弦函數 (Cosine)；靜電作用則是用庫倫公式(Coulomb)來表達. 13,17,19. ，假設總. 能為 Et，則所有的作用力可以寫成: 𝐸𝑡 = ∑𝑏𝑜𝑛𝑑𝑠. 𝑘𝑙 2. (𝑙 − 𝑙0 )2 + ∑𝑎𝑛𝑔𝑙𝑒𝑠 𝑟. 𝑘𝜃. 12. cos 𝑛𝜃) + ∑𝑣𝑎𝑛 𝑑𝑒𝑟 𝑤𝑎𝑎𝑙𝑠 4𝜀 [( 0) 𝑟. 2. (𝜃 − 𝜃0 )2 + ∑𝑡𝑜𝑟𝑠𝑖𝑜𝑛𝑠 𝑟. 6. 𝑉𝑛 2. (1 +. 𝑞 𝑞. − ( 0) ] + ∑𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑐 1 2 𝑟 4𝜋𝜀 𝑟 0. kl 和 kθ 為力常數(Force Constant)；Vn 為扭轉能障(Barrier)；l 和 θ 為鍵長和鍵角；r 為兩質點之間的距離；q1 及 q2 為兩個質點所帶的電量； ε 為位能井深度(Well Depth)；ε0 為介電常數 19d。分子力學有利於大分子的化合物的運算，例如:蛋白質、核甘酸或是 DNA 等，常用於生物化學分子上的計算。分子力學的缺點為無法分析這些大分子的化學性質 17。. 二、初始法(ab initio) ab initio 這個名詞源自拉丁文，解釋為 “ 最開始 (From the Beginning)”的意思 17。在計算化學上全是利用理論方法做計算，不加入任何實驗上的數據，因此需要消耗大量的計算資源。ab initio 是解 Schrödinger 方程式得到能量，最常用的 ab initio 計算為 Hatree-Fock(簡稱 HF)，最早由 D. R. Hartree 所發展 20。Hatree-Fock 計算所得出來所. 19.

(33) 使用的能量單位為 Hartrees (1 Hartree ≒ 27.2116 eV) ，可以計算分子的幾何結構、能量、振動頻率、光譜(IR、UV 和 NMR)、游離能和電子親和力等等 15,16。 Hartree-Fock 的限制是沒有包含電子相關性(Electron Correlation)，也就是沒有考慮到電子跟電子之間相互作用，由於庫倫斥力(Columb Repulsion)的關係，每一個電子的移動都會影響到其他電子下一步的行為。因此為了修正 Hatree-Fock 沒有考慮的電子相關性的問題，發展了許多的計算方法，常見的有 MPn (Moller-Plesset perturbation)21、 CI (Configuration Interaction)22 和 CC (Coupled cluster theory)23。MPn 中常見的有 MP2 、MP3、MP4 和 MP5；CI 常見的有 CIS、CISD、 CISDT 和 CISDTQ；CC 常見的有 CCSD 和 CCSDT 等。. 三、半經驗法半經驗法計算和 ab initio 的 Hartree-Fock 的計算相似。但是半經驗法中在解 Schrödinger 方程式的 Hamiltonian 時候，往往將描述電子耦合交互作用的積分式子給省略，進而用實驗數據或是高階級的 ab initio 所計算出來的數據取代. 17. 。因此半經驗法所消耗的計算資源比. ab initio 少，計算的速度也比 ab initio 快。雖然在計算結果的分析上沒有比 ab initio 來的精準，但是也已經提供相當準確的計算結果，大 20.

(34) 多用於有機分子或是中型分子的計算. 13,17. 。最早發展的半經驗法是. Hückel method，隨後有 PPP (Pariser-parr-pople)24、CNDO (Complete Neglect of Differential Overlap)25 、 MINDO (Modified Intermediate Neglect of Differential Overlap)26 、 MNDO (Modified Neglect of Diatomic Overlap)27 、 INDO (Intermediate Neglect of Differential Overlap)28 、 PRDDO (Partial Retention of Diatomic Differential Overlap)29、AM1 (Austin Model 1)30、PM3 (Parameterization Method 3)31 和 SMA1(Semi-ab initio Method 1)32 等方法相繼發展出來。. 四、密度泛函理論密度泛函理論(Density Functional Theory，DFT)在計算分子的能量的時候，是由電子密度(Electron Density)來決定，而不是波函數17。最早的理論是由P. Hohenberg和W. Kohn發展33，最初應用在於找出分子基態(Ground-State)的電子結構(Electronic Structure)17。這個理論的實際應用是後來由W. Kohn和L. J. Sham所發展19b，應用和Hartree-Fock 相似的公式化(Schrödinger方程式)方法去解出分子的能量，所解的為 Kohn-Sham 方程式13,16-19。為了修正在Hartree-Fock中缺少的電子相關性能量(Electron Correlation Energy)，在DFT中以不同的電子相關性能量及來做描述19b,34： Exc[ρ] = Ex[ρ] + Ec[ρ] 21.

(35) Exc[ρ]為exchang-correlation，可細分為Ex[ρ]和Ec[ρ]兩項。在DFT中，不同的Ex和Ec進而發展出不同的functional，此類的functional常見的有 LDA(Local Density Approximation)34,35 、 LSDA(Local Spin Density Approximation)36、B3LYP(Becke three-parameter Lee-Yang-Parr)34,37、 GGA(Generalized Gradient Approximation)34和M0638。. 22.

(36) 第三節. 基底函數(Basis Sets). 在 ab initio 或是 DFT 的計算當中，由兩個因素來決定理論計算的結果，一個上述的電子相關性，另一個就是基底函數(Basis Sets)。在電子相關性的方面是決定要用什麼方法或是 functional 來操作波函數，稱為 operator；基底函數則是用來描述波函數。基底函數是一個數學函數，每個原子有不同的基底函數，利用這樣的基底函數來描述原子的軌域(Atomic Orbitals)，也就是電子在原子周圍的分布，再藉由線性組合(Linear Combination)組成分子軌域(Molecular Orbitals)，像這樣的過程稱為 LCAO(Linear Combination of Atomic Orbitals)。常使用的基底函數類型有兩種，一種是 STO(Slater Type Orbitals)39，另一種是 GTO(Gaussian Type Orbitals)40，現在目前最常使用的是 GTO 類型的。 STO 和 GTO 分別是利用 Slater Function 和 Gaussian Function 去描述軌域。基底函數的發展可分為最小基底函數(Minimal Basis Set) 、分裂價殼層基底函數 (Split-Valence Basis Set) 、極化函數 (Polarization Function) 、擴散函數 (Diffuse Function) 、相關組成基底函數 (Correlation-Consistent Basis Set)、和 Effective Core Potentials(ECP)。最常見的最小基底函數是 STO-1G 和 STO-3G41，由 S. F. Boys40b 發展出來，指的是利用 STO orbital 的形狀，分別用一個和三個 GTO. 23.

(37) 的線性組合而成。由於基組比較小，對軌域的描述有限，所以後來由 J. A. Pople 發展出分裂價殼層基底函數，常見的有 3-21G、6-31G、 6-21G 和 6-311G 等。第一個數字的意思是中心軌域(Core Orbitals)用多少高斯函數(Gaussian Function)的線性組合而成的基底函數；後面兩個數字分別是將價電子軌域(Valence Orbital)分成兩個部分，前面數字為內殼層(Inner Valence Shell)，後面數字為外殼層(Outer Valence Shell)，前面和後面數字代表內殼層和外殼層用幾個高斯函數組成一個基底函數。以碳的 3-21G 基底函數為例子，碳的殼層可分為: C1s:1. (core orbitals). C2s', 2px', 2py', 2pz':2,4,5inner valence shell C2s", 2px", 2py", 2pz":6,7,8,9. (outer valence shell). 1=a1exp(-α1r2)+a2exp(-α2r2)+a3exp(-α3r2) 2,4,5= b1exp(-β1r2)+b2exp(-β2r2) 6,7,8,9= c1exp(-γ1r2) 碳的 1s 軌域為中心軌域，1 由三個高斯函數的線性組合的基底函數 (所以標記成"3")；2s'-2p'內殼層軌域，2-5 個別由兩個高斯函數的線性組合的基底函數；2s"-2p"外殼層軌域，6-9 個別由一個高斯函數的線性組合的基底函數(標記成"21")。有些分子結構中有第二週期以外的元素(氖以後的元素)，以 3-21G 的基底函數較無法描述其分子軌域，電子雲的分布情形可能有所變化， 24.

(38) 為了要克服這樣的問題，計算化學家運用極化函數，在價殼層中增加了較高角動量的基底函數來增加彈性可改變其軌域形狀。極化函數是在基底函數後面加上一個星號"*"，代表非氫原子加入極化函數，以鈉的 3-21G 和 3-21G*的比較為例子: 3-21G:. 3-21G*:. 1s. 1s. 2s 2px 2py 2pz. 2s 2px 2py 2pz. 3s' 3px' 3py' 3pz. 3s' 3px' 3py' 3pz'. 3s" 3px"3py" 3pz". 3s" 3px"3py" 3pz" 3d 3d 3d 3d 3d 3d. 13 個基底函數. 19 個基底函數. 3-21G*加入 d 函數，使電子分布比較容易被極化。原子氫到氖 3-21G 和 3-21G*的基底函數是沒有差別的。若後面加入兩個"*"，代表氫和氦原子也加入 p 函數來描述電子分布，標記成 3-21G**，也可以寫成 3-21G(d,p)。陰離子(Anions)分子有較大的電子密度分布，在高能量激發態的時候，電子離原子核較遠，使高斯函數(=aexp(-br2))中的 r 變大，自然數(Exponents)值變小。因此較難以描述離原子核較遠的電子分布情形，所以應用擴散函數來修正這樣的問題。擴散函數的表示方法是在. 25.

(39) 基底函數中加入一個加號"+"，通常和極化函數一起使用，以碳的 3-21+G*為例: 3-21G*:. 3-21+G*:. 1s. 1s. 2s' 2px' 2py' 2pz. 2s' 2px' 2py' 2pz'. 2s" 2px" 2py" 2pz". 2s" 2px"2py" 2pz 2s+ 2px+ 2py+ 2pz+. 9 個基底函數. 13 個基底函數. 碳的 3-21G*和 3-21+G*差別在於 3-21+G*多了 2s+, 2px+, 2py+和 2pz+ 四個基底函數。若加入了兩個"+"，代表氫和氦原子加入擴散函數來描述電子分布情形。通常擴散函數也可以用來敘述分子間較長距離的交互作用，像是凡得瓦力。 T. H. Dunning 團隊發展出另一種基底函數. 42. ，稱為. Correlation-Consistent(cc) basis set，可表示成 aug-cc-pVXZ，aug 代表擴散函數；p 表示極化函數；VXZ 代表分裂多少殼層(V 為 Valence， X 為分裂殼層數，Z 為 Zeta)。這類的基底函數比較大，常用來做比較精準的電子相關性的計算。對於重原子(Heavy Atom)分子的計算，縮減計算量是非常重要的。重原子內的殼層較多，在計算電子-電子之間的作用力時過於複雜，因此重原子會使用 Effective Core Potentials(ECP)基底函數來做計算。. 26.

(40) ECP 將重原子的核電子能量近似掉，例如:Sc-Zn、Y-Cd 和 La-Hg 分別使用[Ne]、[Ar]和[Kr]的核。一般最常見的 ECP 為 Los Alamos National Laboratory(LANL)，LANL2DZ43 和 LANL0844。. 27.

(41) 第四節. 計算方法. 在理論計算中，選定了方法和基組以後，我們整個計算的過程有單點能量、幾何優化、振動頻率、溶劑效應以及激發態的計算。. 一、單點能量單點能量的計算是為了產生一個分子幾何結構的能量和相關性質，是根據所給的分子座標所得到能量。單點能量的計算的目的是為了得到一個分子基本的能量和訊息，可以檢測所給的優化座標的能量，也可以利用其他的方法和基組去檢測原本所給的優化座標的能量。. 二、幾何優化研究一個分子的性質是從幾何優化開始，在雙原子分子系統中，以二維作圖表示原子間距離和能量變化的關係。在大分子中每個原子和原子之間的距離也有相對應的能量變化，我們要找到一個分子的最低能量，才能開始對分子開始研究，而找到最低的能量的過程稱為幾何優化(Geometry Optimizations)，因此對分子性質的研究是從優化開始的，此時的幾何結構才具有代表性。而分子幾何結構而產生的能量變化，稱為勢能面(Potential Energy Surface, PES)，是以座標和其能量的形式作圖，進行幾何結構優化的過程時，結構會依照位能曲面的趨. 28.

(42) 勢調整至穩定點為止，目的就是要求一個極小值，即表示此時的幾何結構是一個穩定的分子。. 圖 2.1 勢能面(Potential Energy Surface, PES)的示意圖. 如圖 2.1 所示，在勢能面上有幾個重要的點：最大值 (global maximum)是勢能面上的最高點，該點能量是整個勢能面最大；最小值(global minimum)是勢能面上的最低點，該點能量是整個勢能面最小，也就是最穩定的點；而極大值(local maximum)與極小值(local minimum)，分別是區域的高點和低點；鞍點(saddle point)則是勢能面上兩個高點連線和兩個低點連線的交叉點，表示是兩個低點的過渡態 (transition state)。優化的過程中會找到最小值、極小值或鞍點，其能量對於分子結構的一階導數都為零，但鞍點上的幾何結構並非是所求的結構，因此通常會加入頻率分析(Frequency)的指令一起計算，計算能量的二階導數來確定是否為鞍點，若是得到正頻率，即為極小值，若得到負頻率，則該點為鞍點。. 29.

(43) 而優化計算不能無限制的進行下去，判定是否可以結束此計算，就必須了解收斂標準，當計算出兩個能量值的差落在程式所預設的標準內時，程式就認為已經收斂而結束優化過程 44b。. 三、振動頻率單點能量計算和幾何優化都將原子理想化，忽略了分子內的原子都一直處於振動狀態，不過在平衡的狀態下，這樣的振動是有規律性且可預測的，透過這樣的振動進行頻率分析，頻率分析只能在勢能面的穩定點進行，且所使用的方式是計算能量對原子位置的二階導數，結果可以得到紅外光譜 (Infrared spectroscopy) 和拉曼光譜 (Raman spectroscopy)的頻率值與振動的絕對強度，Gauss View 軟體可以清楚的顯示模型中各個原子的振動向量能和振動模式 44b。. 四、溶劑效應在液相中的分子性質和過渡態等與在氣相中都是有差異的，因為溶液產生的靜電場作用會影響分子的性質，而如果要在知道分子在液相中的性質，則必須透過溶劑模型(Solvation Model)計算分子。. 30.

(44) 對於非水溶液系統的理論模型是使用 Self-Consistent Reaction Field(SCRF)方法，將溶劑描述是一個連續均勻的介電常數(Dielectric Constant)反應場(Reaction Field)，而分子作為一個溶質處於溶劑反應場內的空間中，針對分子與反應場之間的作用力，重新計算分子在液相中的性質。計算效果和所能處理的分子和模型是有關的，所以選擇適合的溶劑模型對於結果是很重要的，如圖 2.2 所示，溶劑模型分為下列四種 44b. ：. 圖 2.2 溶劑的反應場模型. 1.. Onsager (Dipole & Sphere) Model：是為最簡單的反應場，溶質佔據溶劑的反應場內一個固定的球型空間，球型空間的半徑由分子決定，分子偶極(Dipole)誘導溶劑反應場內的空間產生偶極，針對溶劑偶極(Dipole)產生的電場與分子偶極相互作用計算，就能夠得到分子的能量。而此模型有限制，如果分子系統的偶極矩為零，則溶劑模型對分子就不會有所影響，其計算結果與氣相中的結果是相同的。 31.

(45) 2.. Tomasi’s Polarized Continuum Model (PCM)：此模型所定義的空間是由一系列相互連接的原子球組成的，而一系列的原子球會根據每個原子偶極誘導溶劑反應場內的空間產生偶極，進而形成電場，是最常用的模型。. 3.. Isodensity Polarized Continuum Model (IPCM)：將空間定義為分子的等密度面，這個等密度面是根據在氣相中所計算出的波函數，再進行計算所形成的空間。. 4.. Self-Consistent Isodensity Polarized Continuum Model (SCI-PCM)：與前者模型不同的是此模型的等密度面還會與溶劑反應場進行耦合(Coupling)，直到等密度面和溶劑反應場平衡，此時的等密度面所形成的空間比較像真實情形，但計算量大。. 32.

(46) 第五節. 本篇論文的計算方法. 本篇論文所有的分子皆在 Gaussian 0945 軟體下進行計算。所有分子的幾何結構優化使用密度泛函理論中 B3LYP functional，金屬鎳所使用的基底函數為 LANL08 ，氧原子及氮原子的基底函數為 6-31G+(d)，碳原子及氫原子之基底函數使用 6-31G(d)，而反應中牽涉到氫原子及質子轉移的氫則使用較大的基底函數 6-31G++(d,p)進行計算。所使用的溶劑為乙腈，而模型則是利用 PCM(Polarizable Continuum Model)46。圖形顯示方面，我們利用 GaussView 軟體幫助我們了解光譜圖形、分子軌域圖、電子結構以及分子結構(包含鍵長、鍵角以及二面角)等。. 33.

(47) 第三章. 結果與討論前言. 本研究所模擬之酵素為含鎳超氧化物歧化酶(NiSOD)，超氧化物歧化酶可利用其活性中心金屬的氧化態變化，使得超氧離子分別還原為過氧化氫及氧化為氧氣。過去的研究發現，NiSOD 的二價鎳狀態之所以可以被氧化到三價後穩定存在，是由於原來未配位的 Histidine 上的 N 在鎳離子被氧化至三價後與鎳離子配位，使金屬離子的環境由四配位轉為五配位模式，而使得鎳離子可以三價狀態暫時穩定存在。. 圖 3.1 NiSOD 對超氧離子之歧化反應. 本研究室江建緯學長開發的含鎳擬態化合物 NiBDPP，其軸位有一吡啶環與鎳離子配位，可用以模擬酵素中心與鎳離子中心鍵結 Histidine。且可利用此 ligand 成功地合成具兩個質子來源之六配位錯合物 1；一個質子來源之四配位錯合物 2；無質子來源之五配位鎳二價錯合物 3；以及五配位鎳三價錯合物 4(圖 3.2)。 34.

(48) 將錯合物 1-tBuNC 與超氧化鉀(potassium superoxide)反應，過程中會生成過氧化氫及氧氣，並且得到錯合物 4。其中，若將錯合物 3 與超氧化鉀反應，亦會生成氧氣及產物錯合物 4。從錯合物 1-tBuNC 與超氧化鉀反應時所偵測到的 UV/vis 吸收光譜進行 deconvoluted 分析，可得在反應時錯合物 2、3、4 分別以不同比例存在。因此我們推論，反應過程應為錯合物 1-tBuNC 在經脫去一當量質子後生成錯合物 2，2 再氧化到三價鎳錯合物 3 的狀態。而且也利用 EPR 的數據證實，此反應會存在鎳中心被氧化至三價的中間態。接著，三價鎳錯合物 3 再與一當量的超氧離子反應，而生成氧氣及還原為二價鎳錯合物 4。. 圖 3.2. 錯合物 1-tBuNC 與超氧離子反應之可能流程 35.

(49) 為了瞭解此擬態化合物與超氧離子的自身氧化還原的反應，必須探究其詳細之反應機制，然而反應過程中生成的中間體通常不太穩定，且存在時間太短，藉由目前傳統的實驗及光譜技術難以偵測。故本研究利用理論計算的方法進行探討，期望能有助於瞭解擬態化合物與酵素可能的反應機構，進一步開發具有更良好催化效果之擬態化合物。. 36.

(50) 第一節. 幾何結構比較. 一、錯合物[Ni(H2BDPP)(tBuNC)](BF4)2 (1-tBuNC)的優化結構比較首先就實驗上所得到化合物之晶體結構，做其鍵長及鍵角的比較。圖 3.3A 及表 3.1 中 1-tBuNC 為[Ni(H2BDPP)(tBuNC)](BF4)2 錯合物之晶體結構，而 1m 則為計算優化後所得之結構(DFT model calculation)。 [Ni(H2BDPP)(tBuNC)](BF4)2 為六配位 octahedral 的構型，第六配位為 tBuNC，是為了幫助晶體生成而加入的試劑。理論計算的部分，則是使用反應溶劑 acetonitrile 作為第六配位，進行結構優化得的到結構(1m-ACN)；而在實驗中認為此第六配位 tBuNC 會因超氧離子進入而脫去，所以也同時進行了去除第六配位 tBuNC 的五配位錯合物的優化(1m)。錯合物 1-tBuNC 的晶體結構與優化結構 singlet 及 triplet 的錯合物 1m-ACN 並沒有太大差異；但是在去除第六配位 ACN 去優化後， singlet 及 triplet 的錯合物 1m 在結構上有明顯的不同。singlet 的狀態下，結構變得較類似 trigonal bipyramidal，反之在 triplet 的狀態下，結構依然是保持在類似 square pyramidal，∠O1-Ni-O2 有最大的差異，當第六配位存在時，∠O1-Ni-O2 是接近 180°，當第六配位離去後，立障變小，角度明顯變小至 143°，更甚者，在 singlet 狀態下則為 94°，. 37.

(51) 因此，我們推斷，第六配位的離去可有助於結構從 octaedral 轉變成之後將生成四配位 square planar 構型的錯合物 2。. 表 3.1: [Ni(H2BDPP)(tBuNC)](BF4)2 (1-tBuNC)與其六配位(1m-ACN)及五配位(1m) 優化後結構的鍵長鍵角表. parametersa. 1-tBuNC. 1m-ACN. 1m-ACN. 1m. 1m. (crystal). (singlet). (triplet). (singlet). (triplet). Ni-N1. 1.97. 1.95. 2.00. 1.91. 1.95. Ni-N2. 2.16. 2.19. 2.23. 2.07. 2.16. Ni-N3. 2.17. 2.18. 2.22. 2.10. 2.15. Ni-O1. 2.12. 2.23. 2.12. 2.05. 2.03. Ni-O2. 2.16. 2.21. 2.08. 2.19. 2.05. ∠N2-Ni-N3. 163.7. 164.3. 162.0. 165.5. 166.0. ∠O1-Ni-O2. 173.6. 178.3. 174.1. 94.3. 143.0. a. Bond lengths are in angstroms, and angles are in degrees.. 38.

(52) (A). 晶體結構. Chemdraw 圖. 1m-ACN (singlet). 1m-ACN (triplet). (B). (C). 1m(triplet). 1m(singlet). 圖 3.3 (A)[NiII(H2BDPP)(tBuNC)](ClO4)2 (1-tBuNC)之晶體結構及其 Chemdraw； (B)優化後具有第六配位 acetonitrile 的 1m-ACN 之結構； (C)優化後不具有 tBuNC 的五配位錯合物 1m 之結構 39.

(53) 二、錯合物[Ni(HBDPP)](ClO4) (2)的優化結構比較錯合物[Ni(HBDPP)](ClO4) (2)為四配位 square planar 的構型，是將 ligand H2BDPP 去掉一當量的質子後與鎳生成的化合物，理論計算同時也就 singlet 及 triplet 去進行結構優化(2m)。圖 3.4 及表 3.2 分別為錯合物 2 的分子結構圖及分子的鍵長及鍵角列表。. 表 3.2: 錯合物[Ni(HBDPP)](ClO4) (2)與優化後結構 2m 的鍵長鍵角表. parametersa. 2. 2m. 2m. (crystal). (singlet). (triplet). Ni-N1. 1.83. 2.04. 2.18. Ni-N2. 1.83. 1.85. 1.96. Ni-N3. 2.00. 2.04. 2.18. Ni-O1. 1.84. 1.86. 1.87. ∠N2-Ni-N3. 167.3. 168.5. 162.5. ∠N2-Ni-O1. 169.1. 165.5. 136.1. a. Bond lengths are in angstroms, and angles are in degrees.. 40.

(54) (A). Chemdraw 圖. 晶體結構. (B). 2m (triplet). 2m (singlet). 圖 3.4 (A) [Ni(HBDPP)](ClO4) (2)之晶體結構及其 Chemdraw； (B) 計算優化後的錯合物 2m 之結構. 錯合物 2 的晶體結構與以 Singlet 去優化得到的結構較為相似，而與 triplet state 比較最明顯的差異為∠N2-Ni-O1，晶體與 singlet state 分別為 169°及 165°，而 triplet state 則為 136°。故從優化的結果部分，我們認為錯合物 2 的基態應為 singlet state。. 41.

(55) 三、錯合物[Ni(BDPP)](PF6) (3)的優化結構比較錯合物[Ni(BDPP)](PF6) (3)為五配位 distored square pyramidal 的構型，理論計算同時也就 singlet 及 triplet state 去進行結構優化(3m)。圖 3.5 及表 3.3 分別為錯合物 3 的分子結構圖及分子的鍵長及鍵角列表。. 表 3.3: 錯合物[Ni(BDPP)](PF6) (3)與優化後結構 3m 的鍵長鍵角表. parametersa. 3. 3m. 3m. (crystal). (doublet). (quartet). Ni-N1. 2.02. 2.04. 2.16. Ni-N2. 1.95. 1.94. 1.96. Ni-N3. 2.02. 2.04. 2.16. Ni-O1. 1.90. 1.84. 1.85. Ni-O2. 1.90. 1.84. 1.85. ∠N1-Ni-N3. 170.7. 170.2. 165.4. ∠O1-Ni-O2. 153.5. 160.3. 140.0. a. Bond lengths are in angstroms, and angles are in degrees.. 42.

(56) (A). 晶體結構. Chemdraw 圖. 3m (doublet). 3m (quartet). (B). 圖 3.5 (A) [Ni(BDPP)](PF6) (3)之晶體結構及其 Chemdraw； (B)計算優化後的錯合物 3m 之結構. 錯合物 3 的晶體結構與以 doublet state 去優化得到的結構較為相似，與 quartet state 狀態相差最明顯的為∠O1-Ni-O2，晶體與 doublet state 分別為 153°及 160°，而 quartet state 則為 140°，從優化的結果部分，我們認為錯合物 3 的基態應為 doublet state，此部分也與 EPR 實驗結果相符。從圖 3.6 可見錯合物 3 的 EPR 圖譜在 gz = 2.02 的位置， 43.

(57) 由於未成對電子與軸位吡啶環上的氮之間有偶合(coupling)的現象，且氮核的 I 值為 1，所以 g||部份可看到 3 重峰(2I+1)的精細結構。由此可證實錯合物 3 整體環境與酵素活性中心相當類似，且基態電子組態為三價鎳離子具有一未成對電子。. 圖 3.6. 上：錯合物 3 的 EPR 圖譜；下：NiSODOX 的 EPR 圖譜. 44.

(58) 四、錯合物[Ni(BDPP)] (4)的優化結構比較錯合物[Ni(BDPP)] (4)為五配位 distored square pyramidal 的構型，理論計算同時也就 singlet 及 triplet state 進行結構優化(4m)。圖 3.7 及表 3.4 分別為錯合物 4 之分子結構圖及分子的鍵長及鍵角列表。. 表 3.4: 錯合物[Ni(BDPP)] (4)與優化後結構 4m 的鍵長鍵角表. parametersa. 4. 4m. 4m. crystal. (singlet). (triplet). Ni-N1. 2.15. 2.16. 2.19. Ni-N2. 1.97. 2.02. 1.98. Ni-N3. 2.15. 2.16. 2.19. Ni-O1. 1.93. 1.93. 1.96. Ni-O2. 1.94. 1.94. 1.95. ∠N1-Ni-N3. 163.3. 163.8. 164.1. ∠O1-Ni-O2. 140.1. 152.0. 145.2. a. Bond lengths are in angstroms, and angles are in degrees.. 45.

(59) (A). 晶體結構. Chemdraw 圖. 4m (singlet). 4m (triplet). (B). 圖 3.7 (A) [Ni(BDPP)] (4)之晶體結構及其 Chemdraw； (B)計算優化後的錯合物 4m 之結構. 錯合物 4 的計算優化結構在 siglet 及 triplet state 下，與晶體結構相差不大，而其中以 triplet state 去優化得到的結構較為相似，與 singlet state 相差最明顯的為∠O1-Ni-O2，晶體為 140°，Singlet state 為 152°，又 Triplet state 為 145°。然而，就能量的部分，triplet 較 singlet 能量. 46.

(60) 低約 13.8 kcal/mol，綜合以上部分，我們認為錯合物 4 的基態應為 triplet state。. 47.

(61) 第二節. 計算分析之反應架構. 由實驗的結果，我們推測當錯合物 1-tBuNC 與超氧化物反應後，會分別經過錯合物 2 和 3 的型態，最後再生成錯合物 4，其中伴隨著過氧化氫及氧氣的生成。反應過程如下：. 圖 3.8 錯合物 1-tBuNC 與超氧離子反應後可能經過路徑. 我們將其分成兩個階段，分別為氧化階段：錯合物 1-tBuNC 與超氧離子反應，經過錯合物 2 並氧化生成錯合物 3 及生成過氧化氫。另一部分為還原階段：錯合物 3 與超氧離子反應，還原成錯合物 4 及生成氧氣。. 48.

(62) 第三節. 氧化階段之可能機構及其計算分析. 首先進行氧化階段的探討，我們提出下列四種假設的反應路徑，分別為路徑 A、B、C 以及一個不牽涉到中心金屬氧化的超氧化物自身氧化還原的路徑。另外，在計算的過程中，[Ni(H2BDPP)](BF4)2 認定為六配位的 tBuNC 或 CH3CN 會先離去，形成五配位的錯合物 1m。. 路徑 A 超氧離子將錯合物 1m 的一個羥基進行去質子化反應，被去質子化的氧會因為配位能力上升，使得對位的羥基與鎳的鍵結斷裂，使結構轉變成四配位平面四邊型的錯合物 2m，並且伴隨著一個超氧化氫自由基(․OOH)的生成。而後超氧化氫自由基會配位至鎳中心，側臂羥基上的氫進行氫原子轉移至超氧化氫自由基上，生成過氧化氫。過氧化氫離去後，鎳中心提供一個電子與失去氫原子的側臂烷氧自由基生成鍵結，產生三價鎳的錯合物 3m。反應機構如下：. 圖 3.9 路徑 A 之反應機構. 49.

(63) 路徑 B 此反應機制沒有經過四配位錯合物 2m 的構型，而是超氧離子自錯合物 1m 的第六配位的空位處靠近，並同時進行兩個質子以及一個電子的轉移反應生成過氧化氫以及錯合物 3m，因為超氧化物並沒有配位至鎳金屬中心，故此為一個 outersphere 反應。反應機構如下：. 圖 3.10 路徑 B 之反應機構. 路徑 C 此反應機制沒有經過四配位錯合物 2m 的構型，而是超氧離子由錯合物 1m 的第六配位的空位處靠近，並配位至鎳金屬中心，先進行質子轉移，再進行氫原子轉移而生成過氧化氫及錯合物 3m，此反應為一 innersphere 反應。反應機構如下：. 圖 3.11 路徑 C 之反應機構. 50.

(64) 超氧化氫自由基自身氧化還原之路徑此反應前後中心金屬鎳離子的氧化態並沒有改變，為單純的兩個質子轉移之反應。首先，超氧離子將錯合物 1m 的一個羥基進行去質子化反應，被去質子化的氧會因為配位能力上升，使得對位的羥基與鎳的鍵結斷裂，轉變成四配位的錯合物 2m，並且伴隨著一個超氧化氫自由基的生成。隨後錯合物 2m 再與另一個超氧離子反應，超氧離子將配位基上第二個羥基進行去質子化反應，生成第二個超氧化氫自由基，而錯合物 2m 上的羥基被去質子化後，烷氧基與鎳重新鍵結，生成氧化態依舊為正二價的錯合物 4m。隨後兩分子的超氧化氫自由基會互相反應，生成氧氣以及過氧化氫 47。反應機構如下：. •. OOH + •OOH → O2 + H2O2 k = (8.60 ± 0.62) × 105 M‒1s‒1 圖 3.12 超氧化物自身氧化還原之路徑. 此反應路徑利用理論計算中的掃描(scan)方法去做其能量評估，如圖 3.13 所示，在掃描的第一步時，超氧離子與錯合物 2m 的羥基上的氫距離為 3.05 Å ，隨後此氧氫鍵將逐步減少 0.25 Å 進行優化並得到其能量。在掃描的最後一步時，氧氫鍵長為 1.05 Å ，而在掃描過程. 51.

(65) 中，錯合物 2m 上的羥基被去質子化後，烷氧基會與鎳重新鍵結，生成構型為五配位的錯合物 4m，在此過程中，鎳離子之氧化態沒有改變，保持在正二價。掃描的能量改變如圖 3.14 所示，錯合物 2m 在多重態分別為 singlet (S = 0)及 triplet (S = 1)下分別進行計算，可以看到隨著超氧離子與羥基上的氫之鍵長變短，能量皆是下降的，為一個放熱且自發的反應。. 圖 3.13 錯合物 2m 與超氧離子進行掃描之示意圖. 圖 3.14 錯合物 2m 與超氧離子進行掃描計算之能量變化圖. 52.

(66) 然而，進行此掃描計算時，超氧離子與羥基上氫的反應位向只有一種，如圖 3.15 所示，若將超氧離子從其他方向進入與羥基上的氫之鍵長進行縮短掃描時，皆不會看見結果收斂於生成一分子的超氧化氫自由基及錯合物 4m。. 圖 3.15 超氧離子與錯合物 2m 反應之可能位向. 此外，於實驗的狀況下，超氧離子的來源為超氧化鉀，是很難溶於反應溶劑乙腈當中，這代表超氧離子必須從正確位向與錯合物 2m 的羥基反應之機率是相當低的。綜合以上因素，我們可以確定，雖然從理論計算的結果來看此反應為自發反應，但在實驗中發生此反應機制之可能性是非常低的。反之，為證實在反應過程中，確實經過三價鎳之錯合物 3 之狀態，本實驗室江建緯博士將錯合物 1-tBuNC 與超氧離子反應的同時利用 53.

(67) EPR 進行偵測，並將所得 EPR 圖譜與錯合物 3 之 EPR 圖譜做比較。如圖 3.16 所示，左圖為錯合物 1-tBuNC 與超氧離子反應的 EPR 圖譜，具有 gx = 2.135, gy = 2.122, gz = 2.023，右圖為錯合物 3 之 EPR 圖譜，具有 gx = 2.22, gy = 2.18, gz = 2.02，兩者有類似之圖譜形狀以及 g 值，因此我們確信錯合物 1-tBuNC 與超氧離子反應時會生成三價的錯合物 3，由此可知，此反應會牽涉到中心金屬鎳之氧化態改變，更支持了路徑 A ~ C 的假設。. 圖 3.16 左：錯合物 1-tBuNC 與超氧化物反應的 EPR 圖譜；右：錯合物 3 的 EPR 圖譜. 一、路徑 A 的能量圖及反應機制之探討經由上述關於超氧化氫自由基自身氧化還原反應的討論，可以確定錯合物 1-tBuNC 與超氧離子反應會使金屬中心鎳離子的氧化態改 54.

(68) 變，為了瞭解其可能的反應機制，由計算的結果分別得到了路徑 A、 B 和 C 三種路徑，現在先就路徑 A 去做詳細的討論。圖 3.17 為路徑 A 的反應能量變化圖，圖 3.18 為路徑 A 中各中間物及過渡態的結構及其重要鍵長與自旋電子分布；反應起始物為錯合物 1m 與超氧離子，錯合物 1m 在不同自旋態具有不同的能量，多重態為 0 (singlet)時能量較多重態為 1 (triplet)時能量高約 2.5 kcal/mol，能量相差不大，因此推論錯合物 1m 在基態時的多重態可能為 0，也可能為 1。當超氧離子將錯合物 1m 配位基上的羥基去質子化，錯合物 1m 因為配位基的配位能力改變，構型改變成四配位的錯合物 2m，同時生成超氧化氫自由基(•OOH)。此去質子化反應的能量變化約為 ‒20 kcal/mol，為一放熱反應，可知此反應為一自發反應。同時，錯合物 2m 在多重態為 0 及 1 時能量相同，但當多重態改變至 1 時，過氧化氫自由基才會配位至錯合物 2m 的金屬鎳上，生成中間體 Int-A1，隨後配位基上的第二個羥基上的氫原子轉移至超氧化氫自由基，到達過渡態 TS1，活化能為 18.2 kcal/mol。圖 3.19 為過渡態 TS1 參與氫原子轉移的分子軌域，分別為錯合物 2m 之羥基上的氫與超氧化氫之 bonding(左)及 antibonding(右)軌域，由此可確定過渡態 TS1 時二者具有相互作用。超氧化氫自由基得到氫原子後生成中間體 Int-A2，此中間體為過氧化氫配位在鎳中心上，而去質子化後的烷氧基上具有一個. 55.

(69) 未成對電子，待過氧化氫離去，鎳中心與帶有未成對電子之烷氧自由基重新鍵結，進行電子轉移生成三價的錯合物 3m。. 圖 3.17 反應路徑 A 之能量變化圖. 圖 3.18 反應路徑 A 的各個反應結構及其重要鍵長及自旋電子分布，singlet/triplet. 56.

(70) 圖 3.19 過渡態 TS1 參與氫原子轉移之分子軌域左：bonding orbital；右：anti-bonding orbital. 為了瞭解在過渡態時所發生的詳細電子轉移狀況，便利用理論計算中的 IRC48 (intrinsic reaction coordinate)方法去計算 Int-A1 至 TS1 逐步改變過程。由圖 3.20 可知，從 Int-A1 至 TS1 時，氫從配位基上的羥基漸漸轉移至超氧化氫上，而原本羥基上接著氫的氧原子，自旋電子密度從 0 轉而趨近於 1，另一方面，超氧化氫的自旋電子密度則從 1 趨近於 0。由此可知，當質子轉移至超氧化氫時，會伴隨著一個電子一起轉移，即氫原子轉移，如此使得配位基上的氧失去一個電子，從原本成對電子變成具有一個未成對電子；反之，超氧化氫得到質子及電子後，原本具有一個未成對電子便被配對起來，因此自旋電子密度從 1 變為 0。從以上結果可推論此反應過程為一個氫原子轉移(HAT) 的反應。. 57.

(71) 圖 3.20 左：Int-A1 至 TS1 的重要自旋電子密度改變量；右：TS1 中重要原子的編號. 經過過渡態後生成一個過氧化氫配位在鎳中心的中間體 Int-A2，此時鎳中心仍是多重態為 1 之二價氧化態，而配位基上的氧會帶有一個未成對的 α 電子(圖 3.18 之 Int-A2，ρ(Oligand) = 0.69；圖 3.21 左)，隨後過氧化氫離去，配位基上的氧會與鎳中心鍵結，但當配位基的氧帶著 α 電子時，鎳中心便必須提供一個 β 電子以形成鍵結，而這會導致生成多重態為 3/2 的三價鎳錯合物 3m，將與實驗結果不符。因此，在配位基上的氧之未成對電子必須進行電子自旋方向的改變以形成 β 電子(圖 3.18 之 Int-A2，ρ(Oligand) = 0.69  ‒0.69)，鎳中心再提供一個 α 電子與其形成鍵結，如此才能生成具有多重態為 1/2 的五配位三價鎳錯合物 3m(圖 3.21 右)，這裡利用理論計算中 breaking symmetry 的方法，得到了配位基上的氧帶有 β 電子的結構，其能量與氧上帶有 α 58.

(72) 電子者並無不同，故此電子自旋方向的改變是會發生的，當氧上 α 電子轉為 β 電子，便能與鎳中心產生鍵結生成多重態為 1/2 錯合物 3m。. 圖 3.21 配位基上的氧之電子自旋方向改變示意圖；左：當氧上帶有 α 電子時，無法與鎳配位(S = 3/2)；右：當氧上 α 電子轉成 β 電子時，可與鎳配位並生成正三價鎳離子的錯合物 3m (S = 1/2). 二、路徑 B 的能量圖及反應機制之探討圖 3.22 為路徑 B 的反應能量變化圖，圖 3.23 為路徑 B 中各中間物及過渡態的結構；反應起始物為錯合物 1m 與超氧離子共同優化，錯合物 1m 在不同自旋態具有不同的能量，反應發生在鎳中心具有多重態為 1(triplet state)時，此時帶有一個未成對 β 電子的超氧離子(S = ‒ 1/2)靠近錯合物 1m 的第六配位的空位處，生成中間體 Int-B，隨後到達過渡態 TS2，配位基的兩個羥基上的質子同時轉移至超氧離子。圖 3.24 為過渡態 TS2 參與質子及電子轉移的分子軌域，分別為錯合. 59.

(73) 物 1m 與超氧離子之 bonding(左)及 antibonding(右)軌域。鎳中心提供一個 α 電子與質子一同轉移至超氧離子，從圖 3.23 中可見在過渡態 TS2 時，鎳中心之 spin density 從 1.68 變成 1.35，而超氧離子之 spin density 從-1.02 變成-0.28，此為鎳中心之 α 電子轉移至超氧離子，並與原本位於超氧離子上的 β 電子配對，接著便生成產物過氧化氫以及正三價鎳離子的錯合物 3m。. 圖 3.22 反應路徑 B 之能量變化圖. 60.

(74) 圖 3.23 反應路徑 B 的各個反應結構及其重要鍵長及自旋電子分布，singlet/triplet. 圖 3.24 過渡態 TS2 參與質子及電子轉移之分子軌域左：bonding orbital；右：anti-bonding orbital. 61.

(75) 三、路徑 C 的能量圖及反應機制之探討圖 3.25 為路徑 C 的反應能量變化圖，圖 3.26 為路徑 C 中各中間物及過渡態的結構；反應起始物為錯合物 1m 與超氧離子，錯合物 1m 在不同自旋態具有不同的能量，反應發生在鎳中心具有多重態為 1(triplet state)時，此時帶有一個未成對 α 電子的超氧離子(S = ‒1/2)靠近錯合物 1m 的第六配位的空位處，並與其配位生成中間體 Int-C，隨後到達過渡態 TS3。圖 3.27 為過渡態 TS3 參與質子及電子轉移的分子軌域，分別為 Int-C 的超氧化物與配位基上的氫之 bonding(左)及 anti-bonding(右)軌域，配位基的羥基上的兩個質子及一個電子前後轉移至超氧離子，生成過氧化氫及正三價鎳離子的錯合物 3m。. 圖 3.25 反應路徑 C 之能量變化圖. 62.

(76) 圖 3.26 反應路徑 C 的各個反應結構及其重要鍵長及自旋電子分布，singlet/triplet. 圖 3.27 過渡態 TS3 參與質子及電子轉移之分子軌域，左：bonding orbital；右：anti-bonding orbital. 為了瞭解在過渡態時所發生的詳細電子轉移狀況，便利用理論計算中的 IRC (intrinsic reaction coordinate)方法 48 去計算 Int-C 至 TS3 重 63.

(77) 要原子之電子自旋密度逐步改變的過程。由圖 3.28 可知，從 Int-C 至 TS3 時，編號 92 的 H 比編號 30 的 H 先轉移至超氧離子上(圖 3.28 左下)，此編號 92 的 H 之轉移伴隨著的電子轉移量相對較編號 30 的 H 少，故推論先行轉移至超氧離子的編號 92 的 H 是以質子的形式進行轉移，使超氧離子變成超氧化氫自由基。隨後進行編號 30 的 H 之轉移，在 spin density 的部分，可見超氧離子(編號 90 及 91 的 O)從‒1 遞增至 0；反之，配位基上的氧(編號 47 的 O)從 0 遞減至接近‒1。這表示，編號 30 的氫是以氫原子的形式轉移至超氧化氫自由基，使得配位基上的氧從原本的成對電子，變成帶有一個未成對電子(S = ‒1/2)。而超氧化氫自由基在得到氫原子後，轉變為過氧化氫，且 spin density 變為 0。綜合上述，從圖中可看出，大部分的電子轉移是發生在約第五步之後，而在第五步之前，反應傾向先進行編號 92 的氫轉移，由於不涉及自旋電子密度改變，故此為質子轉移。而後，再進行編號 30 的氫的轉移，此即為氫原子轉移。因此，從 Int-C 至 TS3 的過程中，反應先發生了質子轉移，隨後氫原子轉移至超氧化物，使其還原成過氧化氫，在此過程中鎳離子的氧化態尚未改變。. 64.

(78) states in IRC IntC. TS3. 圖 3.28 左：Int-C 至 TS3 的重要自旋電子改變量；右：TS3 中重要原子的編號. 在到達過渡態生成過氧化氫後，正二價鎳離子帶有兩個未成對電子(S = 1)，而配位基上的氧則帶有一個未成對電子(S = ‒1/2)。故待過氧化氫離去，鎳離子即提供一個 α 電子與氧鍵結，最後生成正三價(S = 1/2)的鎳錯合物 3m。. 65.

(79) 四、氧化階段各反應機制之能量比較由實驗結果我們證實錯合物 1-tBuNC 與超氧離子會使鎳離子氧化態改變成三價的錯合物 3m，因此雖然從計算結果來看超氧化氫自由基自身氧化還原的反應路徑(圖 3.29)是一自發反應，且由文獻可知其反應速率相當迅速，但是這個反應發生的機率仍相對較低。. •. OOH + •OOH → O2 + H2O2 k = (8.60±0.62) × 105 M‒1s‒1 圖 3.29 超氧氫自由基自身氧化還原之路徑. 從計算的結果可知，反應路徑 A、B 及 C 中，錯合物 1m 與超氧離子反應後皆可使鎳離子氧化成三價錯合物 3m 並生成過氧化氫。在三個反應路徑中，A、B 及 C 活化能分別為 18.2、25.1 及 35.1 kcal/mol (表 3.1)，反應路徑 A 有最低活化能，即為最有可能發生的反應路徑，因此推斷在氧化階段下，我們建議錯合物 1m 與超氧離子的反應機制為路徑 A。表 3.5 氧化階段中各反應路徑之活化能. A. B. C. 18.2. 25.1. 35.1. Activation energy (kcal/mol). 66.