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合成氨工业需要在高温高压催化剂的条件下生产农业上所必须的无机氮肥,而钼固氮酶在温和条件下就能将空气中的N2转化为可供生物利用的氨,钒固氮酶的固氮能力虽不如钼固氮酶,但是在CO还原为短链烃方面显示出类似费托合成化学的催化性能。因此,固氮酶催化机理研究及其化学模拟对于对于粮食、人口、环境、能源等方面都具有极其重要的意义。高分辨率X射线单晶衍射分析表明,钼固氮酶的催化活性中心铁钼辅基的结构为 MoFe7S9C（S-cys）（N-Hhis）（Hhomocit）（Hcys=半胱氨酸,Hhis=组氨酸,H4homocit=高柠檬酸）,钒固氮酶的铁钒辅基与铁钼辅基结构相似,为CO32-取代的VFe7S8C（CO3）（S-cys）（N-Hhis）（Hhomocit）。在铁钼辅基和铁钒辅基中,高柠檬酸均通过α-羟基和α-羧基与钒或钼配位,作为维持固氮活性的重要有机组分,可被柠檬酸等羟基羧酸取代。生物活性研究表明,柠檬酸取代的钒固氮酶突变种的N2还原产物具有更高的NH3/H2比例,钼固氮酶柠檬酸突变种的CO还原产物具有更高的CnHx/H2（n=2,x=4,6）比例,产物中放氢比例的变化暗示了有机配体在催化过程中的质子传递作用,但是具体的质子传递路径以及络合位点还有待了解。小分子化学模拟可以从一个侧面揭示固氮酶柠檬酸的局部配位环境和化学性质,研究羟基羧酸钼和钒的合成条件、分子结构、谱学性质,可以为认识固氮酶突变种中柠檬酸的配位环境、质子传递机制提供化学依据。本文以柠檬酸、苹果酸、乙醇酸和2-羟基丁酸为配体,钒、钼为金属源,再引入三联吡啶含氮配体,合成并表征了一系列的配合物1～9:[VO（tpy）（H2cit）]·H2O（1）,[VO（tpy）（glyc）]·5.5H2O（2）,[VO（tpy）（2-hbut）]·3H2O（3）,[V（NO）（tpy）（glyc）]·3H2O（4）,[V（NO）（tpy）（2-hbut）]·4H2O（5）,[Mo2O（Hcit）2（tpy）2]·3H2O（6）,（H2tpy）2[Mo2O5（Hcit）2]·7.5H2O（7）,（NH4）3（NH3CH3）3[Fe2V6O11（mal）6]·7.5H2O（8）,（NH4）3n[Fe（H2O）2]1.5n[Fe2V6O11（mal）6]n·7.5nH2O（9）。另一方面,固氮酶作为氧化还原酶,其催化活性中心的电子结构和氧化态研究对于阐明固氮机理具有重要意义,铁钼辅基和铁钒辅基的原子结构相似,电子结构的差异也许是影响这两种辅基与底物络合还原能力的一个重要因素。基于大分子蛋白和小分子铁硫簇模拟物的谱学研究和理论计算对辅基的电荷和氧化态提出了多种假设,但是仍然存在争议。本文利用蛋白数据库中储存的固氮酶的晶体数据,以Brown的经典键价理论对固氮酶辅基的金属氧化态进行计算。本文主要结果总结如下:一、在弱酸性条件下,以柠檬酸、乙醇酸、2-羟基丁酸和三联吡啶为配体,合成了系列单核中性羟基羧酸钒配合物1～5。其中1～3的端氧、三联吡啶的三个氮原子、羟基羧酸的α-羟基氧和α-羧基氧占据金属钒的六个配位点。1中的柠檬酸通过质子化的α-羟基和α-羧基与钒双齿配位,游离的两个β-羧基通过强氢键作用与相邻分子成对紧密结合。1的柠檬酸双齿配位模式与FeV-co中的高柠檬酸一致,其V-O（α-羟基）键长也与FeV-co接近,而配合物2和3中的乙醇酸和2-羟基丁酸以去质子的α-烷氧基参与配位,它们的V-O（α-烷氧基）键长远小于1和FeV-co中的相应键长,因此静息态FeV-co中的高柠檬酸或突变种中的柠檬酸可能为α-羟基配位。2和3的端氧在盐酸羟胺的还原下被线型NO取代产生亚硝酰钒配合物4和5,它们的结构与2和3相似,但是V-O键长缩短。二、在酸性条件下,以柠檬酸和三联吡啶为配体,通过水热法合成了两个不同价态的双核柠檬酸钼配合物6和7。6是中性氮杂环配合物,其Mo（Ⅳ）与三联吡啶的三个氮原子、柠檬酸的三个氧原子和一个桥连氧配位,由于拥挤的七配位构型导致柠檬酸三齿配位角度收缩,三联吡啶配体平面发生扭曲。7由三联吡啶阳离子和柠檬酸钼阴离子组成,其Mo（Ⅵ）与柠檬酸的三个氧原子、两个端氧和一个桥连氧配位。在两个配合物中,柠檬酸都是通过α-烷氧基、α-羧基和一个β-羧基与钼三齿配位,游离的β-羧基与周围的溶剂分子形成氢键。通过键长对比分析可知,端氧反位效应、羟基质子化效应以及金属氧化态是影响Mo-O键长的主要因素,并对一系列不同氧化态羟基羧酸钼配合物进行键长拟合,得出MoⅢ-O（α-羟基）键长与铁钼辅基的键长一致,由此推出柠檬酸突变种的加氢模式。三、以苹果酸为配体,以钒盐和铁盐为金属中心,在弱酸性条件下得到八核钒铁苹果酸簇合物8,该簇合物的阴离子具有与铁钒辅基相似的笼状结构,六个混价氧钒离子由两个μ3-O,三个μ2-O原子桥连形成三棱柱结构,两端铁离子通过苹果酸羟基氧桥连。以水合铁离子作为配位节点,该阴离子簇可以进一步聚合形成具有微孔结构的配位聚合物9,阻抗分析表明孔道中的环形水簇在轴向的质子传导能力较弱。9在高压下能够不可逆地吸附氧气,这种不可逆吸附现象可能是气体与微孔中的配位不饱和位点发生强相互作用的结果。四、用经典的键价计算方法对蛋白数据库中储存的所有钼铁蛋白和钒铁蛋白中的铁钼辅基和铁钒辅基进行氧化态分析,计算结果表明,静息态铁钼辅基和铁钒辅基的氧化态分别接近[Mo3+-5Fe3+-2Fe2+]和[V3+-3Fe3+-4Fe2+],铁硫簇存在不同程度的离域,桥硫被Se2-、CO、OH-、N2取代后,铁硫簇的电子结构发生重排,其中Se2-取代的辅基氧化态升高,CO、OH-、N2取代的辅基氧化态降低。