《JACS Au》：How Does Tuning of the Primary Coordination Sphere Around Ferryl–Oxo Intermediates Affect Structure and Reactivity? Insights into Axial and Equatorial Ligand Field Effects
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含铁矿氧酶在自然界中参与天然产物的生物合成及外源化合物的生物降解，并在立体、化学与区域选择性方面表现出极高的催化特性，因而在生物技术领域备受关注。铁酶的一级配位环境包括八面体和三角双锥等多种几何构型，为了揭示这些短寿命酶促中间体的结构、光谱性质及反应机理，研究
含铁矿氧酶在自然界中参与天然产物的生物合成及外源化合物的生物降解，并在立体、化学与区域选择性方面表现出极高的催化特性，因而在生物技术领域备受关注。铁酶的一级配位环境包括八面体和三角双锥等多种几何构型，为了揭示这些短寿命酶促中间体的结构、光谱性质及反应机理，研究人员构建了生物模拟模型。此类模型虽缺失蛋白质二级配位环境，但能有效阐释金属配位结构、功能与光谱特性以及反应机理特征。本文综述了铁(IV)-氧（ferryl–oxo）中间体的一级配位环境，该中间体作为高活性氧化剂参与多种酶促反应机制。研究重点讨论了轴向与赤道扰动对铁(IV)-氧配合物结构、自旋态顺序及反应性的影响。在卟啉类配体体系中，由于轴向配体轨道与卟啉骨架轨道发生混合，轴向配体效应对反应性及电子结构具有显著影响；而在非血红素铁体系中，轴向配体与赤道配体的相互作用较弱，因此轴向效应相对有限，但近年来研究发现赤道扰动在非血红素铁(IV)-氧体系中同样发挥重要作用。总体而言，生物模拟卟啉类与非血红素铁(IV)-氧氧化剂是一类可工程化的多功能催化剂，能够实现立体选择性与区域专一性反应过程。
本研究由研究人员发表于《JACS Au》，聚焦于铁(IV)-氧（ferryl–oxo）中间体的配位环境调控对其结构与反应性的影响。当前，天然含铁矿氧酶因其高选择性和强氧化能力而被广泛研究，但其活性中间体寿命极短，结构表征与机理解析存在显著困难。同时，不同酶类的配位几何与配体类型差异导致反应路径与效率各异，如何在分子层面精细调控其活性成为重要科学问题。为此，研究人员通过结合酶学、生物模拟化学与理论计算，系统分析了轴向与赤道配体场对铁(IV)-氧中间体电子结构、自旋态及反应性的调控规律。研究表明，轴向配体在血红素体系中通过轨道混合显著改变氧化还原电位与反应路径，而在非血红素铁体系中赤道配体扰动对自旋态切换及反应选择性更具决定性作用。该工作不仅揭示了两类铁酶的配体场效应差异，还为设计高效人工氧化催化剂提供了理论依据。
在研究方法上，研究人员采用了多种关键技术手段，包括高分辨率光谱（UV–vis、红外、EPR、M?ssbauer、XAS、RIXS）、单晶X射线衍射、密度泛函理论（DFT）计算，以及将活性中间体封装于金属有机框架（MOF）与共价有机框架（COF）中以增强稳定性与调控反应性。此外，还利用突变蛋白与合成模型配合物比较不同配体场条件下的结构与反应性能。
1. 引言
研究人员首先介绍了含铁金属蛋白在生物储存、运输及催化中的关键作用，指出铁可在不同氧化态（+II至+V）间转换，从而参与还原与氧化反应。由于铁(IV)-氧中间体寿命短，实验捕获与表征难度大，因此生物模拟模型成为研究的重要工具。
2. 血红素蛋白中的轴向配体效应
通过对细胞色素P450、过氧化物酶及过氧化氢酶的比较，研究人员发现轴向配体种类（半胱氨酸硫负离子、组氨酸咪唑、酪氨酸酚负离子）显著影响铁的氧化还原电位与反应性。理论计算表明，硫负离子轴向配体通过与卟啉a2u轨道混合降低能级，提高铁(IV)-氧中间体的质子亲和力与C–H键活化能力。
3. 非血红素铁氧酶的赤道配体效应
在α-酮戊二酸依赖的非血红素铁酶中，赤道配体（His/Asp/Glu）构型决定金属中心几何与自旋态。研究显示，赤道羧酸配体缺失（如半胱氨酸双加氧酶CDO）会切换自旋态从五重态（S=2）到三重态（S=1），进而改变反应机理与选择性。
4. 生物模拟血红素模型的轴向配体效应
合成卟啉类配合物研究表明，轴向配体电子给体强度直接影响铁(IV)-氧π阳离子自由基的氧转移速率与选择性，甚至可调控羟基化与芳香取代反应的竞争路径。
5. 生物模拟非血红素铁模型的轴向配体效应
在TMC配体体系中，轴向配体变化导致氧转移与氢提取反应呈现相反趋势，显示单电子与双电子氧化路径的可切换性。
6. 生物模拟非血红素铁模型的赤道配体效应
赤道硫或氧供体取代显著提高铁(IV)-氧的反应性，并通过改变HOMO–LUMO能隙与自旋态分布影响反应机制，如卤代与羟基化路径的竞争。
7. 笼状结构对高价铁配合物稳定性与反应性的影响
将铁(IV)-氧中间体封装于MOF或COF中，可稳定高自旋态（S=2）并提高对强C–H键的活化能力，模拟天然酶活性口袋的微环境效应。
8. 展望与结论
研究人员总结认为，通过电子与立体调控赤道配体场可有效调节铁(IV)-氧中间体的氧化还原电位与反应路径，而轴向配体在血红素体系中的作用尤为关键。将生物模拟体系嵌入多孔框架材料为实现高活性、高选择性人工氧化催化剂提供了新的策略。
