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近日，美国约翰斯·霍普金斯大学David P. Goldberg教授课题组在J. Am. Chem. Soc.上报道了题为“A Nonheme Iron(III) Superoxide Complex Leads to SulfurOxygenation”的最新研究成果。![]()
硫醇二氧化酶(TDOs)作为一种非血红素铁酶，它能将硫醇底物转化为S-氧化合物，同时TDOs的氧气激活功能对于一系列生物过程至关重要，因此得到了广泛的研究关注，但其S-氧化的反应机制尚不清晰。本文报道了一种新的烷基硫醇配体非血红素铁配合物Fe(BNPA-S)Br(1)。在-40℃条件下，1与O2 反应或在-80℃条件下，以铁(III)形式与O2•–反应，可以得到一种罕见的铁(III)-超氧根中间体[FeIII(O2)(BNPAMe2S)]+ (2)，并通过紫外-可见光谱、 57Fe穆斯堡尔谱、ATR-FTIR、EPR和CSIMS对其进行了表征。随后不稳定的络合物2通过一个有序的氧原子转移机制转化为S-氧化的Fe(sulfonate)产品，这一过程涉及到铁硫代酸中间体。这些结果为硫醇二氧化酶中提出的中间体的可行性提供了证据。
本文通过合成新型非血红素铁(III)超氧复合物[FeIII(O2)(BNPAMe2S)]+ 并研究其与氧气的反应，揭示了硫醇二氧合酶中硫氧化的可能机制，证实了铁(III)-超氧中间体的存在及其转化为硫代硫酸盐产物的过程。以下是穆斯堡尔谱得到的主要信息：![]()
要点1. Fe自旋态的确定：非血红素铁配合物Fe II (BNPAMe2S)Br (1)的分子结构揭示了其为一个五配位的二价铁配合物，其中溴化配体占据第五个配位位点。穆斯堡尔谱确认了络合物1存在高自旋二价铁离子（右下图a），其在THF（80K）条件下谱图中显示了一个尖锐的四极双峰，δ=0.96，|ΔQ|=2.80 mm s–1 ，这一结论也由1H核磁共振光谱得到了进一步证实。![]()
要点2. Fe物种的鉴定：对 57Fe 标记的 2 的穆斯堡尔谱进行分析，发现其具有单四重峰，其中 δ = 0.45 mm s–1、 |ΔEQ| = 1.25 mm s–1，符合整数自旋基态，表明存在高自旋 FeIII-超氧离子，证实了高自旋Fe III 离子（s=5/2）与O2•– 离子（s=1/2）间存在反铁磁耦合现象。此外，本文中还利用穆斯堡尔谱研究了络合物2在23℃下的分解，观察到两种新的铁化合物。通过对两个四极双峰进行拟合分析：一个δ值为0.47
mm s–1 ，|ΔQ|为0.77
mm s–1 ，与高自旋Fe
III相符；另一个δ值为1.23
mm s–1，|ΔQ|为2.96
mm s–1，与高自旋Fe II相符。其中一种产物通过结晶被鉴定为FeIII(BNPAMe2S)(OH)(Br)（5）。对THF中结晶的5进行Mössbauer光谱分析，得到一个与最终反应混合物中的三价铁组分相匹配的单四极双峰。而一个未鉴定的铁(II)物种，其穆斯堡尔参数与4相似，但在FTIR中未显示出任何S═O振动模式。
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要点3. 验证反应途径： 在另一种生成中间体2的途径中，在 -80℃ 下，络合物1与THF中的氧化剂FcBArF4反应生成了新物种3。穆斯堡尔光谱分析表面其宽阔的四极双峰是高自旋铁(III)离子的典型特征，其中δ=
0.39 mm s–1 和|ΔQ|= 1.04 mm s–1，并将其归为[FeIII(BNPAMe2S)(Br)]+ 。在THF/CH3CN（约20/1）中，向3中加入略微过量的KO2和Kryptofix
222，在 -80℃ 下得到了一个新的紫外-可见特征，其波长与从1和O2生成的中间体2相匹配，同时加入KO2后络合物3中的穆斯堡尔谱与络合物2的谱图分析也相匹配，验证了该反应途径的正确性。要点4. 验证计算模型准确性：通过将穆斯堡尔谱的同位素位移数据与已知酶活性位点中的非血红素氧铁(IV)中间体相比较，以评估合成复合物与生物酶中活性位点的相似性。复合物3 在 4.2 K 时表现出更高的异构体位移 δ = 0.24 mm/s，接近 TauD-J 和相关酶中间体的数值。δ 的显著增加表明 3 的自旋态变为 S = 2，这一结果此前已通过 VT/VF Mössbauer 分析得到了证实。将络合物 1的优化几何结构作为对2进行计算的起始点。在2的基态（S=2）中，对实验中观察到的η2-O2（侧向）和η1-O2（端向）结构进行评估。从具有η1-O2结合模式的起始结构中移除溴配体，其结构收敛为侧向构型。对于侧向结构的穆斯堡尔参数计算显示其能够更好地匹配实验结果，而时间相关的DFT计算预测侧向结构中硫醇-Fe(O2)电荷转移跃迁的波长为627
nm，而端向结构为500
nm，进一步支持 η2 结合模式。这些计算均支持侧向铁(III)-超氧根中间体的形成；尽管还需要更多的实验证据来证实这种结合模式。这也说明通过 DFT 计算得到的穆斯堡尔参数与实验结果进行比较，可以用于验证计算模型的准确性，从而更深入地理解反应机理。
穆斯堡尔谱作为一种灵敏的结构分析探针，在确定铁的氧化态和电子自旋状态、识别中间体和反应路径以及验证计算模型方面发挥了重要作用。其为 TDOs中提出的中间体提供了实验证据，并支持了硫醇二氧合酶的S-氧化途径，有助于我们更好地理解 TDOs的催化机制，并为设计新型药物和催化剂提供理论基础。
Sudha Yadav, Vishal Yadav, Maxime A. Siegler, Pierre
Moënne-Loccoz, Guy N. L. Jameson, and David P. Goldberg. J. Am. Chem. Soc. 2024, 146 (12), 7915-7921.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c12337声明：
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●美国加州理工学院Nat. Commun | 穆斯堡尔谱研究地核-地幔边界压力下FeO的熔化和缺陷转变
