甲烷和分子氧的活化机理
化学先生 / 2019-07-30
甲烷单加氧酶的催化反应循环是羟基化酶MMOHox,在还原酶的作用下先从NADH接受两个电子，变为还原态。然后还原态的MMOHred与分子氧作用，经过两种中间态0和P，脱去水后形成中间物Q，Q与底物结合，再经过两种过渡态形式R和T,释放出产物，并重新回到氧化态的MMOH,如图3-10所示。要证明这一反应机理的有效性，就必须设法检测到在催化反应循环中，MMOH的双铁核中心与分子氧和反应底物形成中间化合物。
(1)中间化合物O的形成在MMOB存在条件下，将处于还原态的羟基化酶MMOH与02迅速混合，发现g=16的EPR信号消失，而这一信号是二价Fe的特征，推测可能是O:与二价Fe相结合在活性点上的状态。
(2)中间化合物P的形成这是一种没有EPR信号的中间化合物。它在700nm左右有比较宽的吸收帶。拉曼光谱和Mossbauer谱的研究都表明O2分子是对称地连接到铁原子上，形成了过氧化物复合物。
(3) 中间化合物Q的形成化合物 P自动转变为一种黄色的中间化合物，吸收峰值= 330nm，430nm, 通过Mossbauer谱的研究，推断化合物Q中的两个铁是抗磁性高自旋四价Fe(IN)原子。这是目前发现的第一个Fe(IV)双核铁簇。从EXAFS和Mossbauer谱给出的分析结果推测，MMOH的中间体具有FefO2钻石核结构。这种结构保证了高价态Fe(IV)- O键的稳定性。
(4)中间化合物R的形成化合物Q与底物的反应是MMO催化反应循环中最关键的一步。推测是Q与底物反应，从底物中获得一个氢生成一个底物自由基中间体R。
(5)中间化合物T的形成在底物硝基苯存在时， 中间体Q消失后产生有色的产物硝基苯酚。用停流谱观察硝基苯酚的产生过程，发现产物是通过一种在325nm和395nm有吸收峰的中间体T形成的，T消失后重新产生氧化态的MMOH.
从图3-10的机理模型不难看出，甲烷单加氧酶催化反应机理的研究，可以概括为两个部分，首先是分子氧活化，然后是底物烃的活化。在分子氧的活化过程中，中间化合物P到Q的转化过程主要是由于分子氧的0--O键断裂。Lipscomb及其同事认为，在中间物P中O 0键断裂形成Q中间体的同时，氧与体系中的质子形成了水分子。甲烷C H键的活化可能存在两种机理，即自由基机理和氧插入机理，Lipscomb等更倾向于自由基机理。他们使用手性乙烷检测M. trichos proium OB3b的sMMO催化反应产物认为，作为自由基探针底物的这种小分子与甲烷相似，分析结果说明有自由基的形成。用相同的方法，对M.capsulatusBath菌的MMO进行实验，也取得了相似的结果。Lippard提出了氧插人机理，他们使用甲基异构烷烃作为探针底物，研究了M. capsulatus Bath菌，没有发现重排产物，只在甲基位置发生了羟基化。这种现象说明催化过程中并没有自由基中间体形成。
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