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通过合成金属配合物，在结构和功能上模拟含金属的生物酶的活性中心是研究酶的结构和功能之间关系的重要手段，也是生物无机化学的两个主要研究方向之一。双核金属生物酶是金属酶系的重要组成部分，酶中的两个金属离子或者通过单配位原子相连，如羟基或水分子中的氧原子；或者通过共厄基团，如咪唑或羰基相连。本文分别选取这两类双核金属酶中有代表性的碱性磷酸酯酶和Cu,Zn-SOD酶进行化学模拟，设计合成了带有羟乙基手臂和羟丙基手臂的24元大环多胺配体，以及两种配体的双核Zn(Ⅱ)，双核Cu(Ⅱ)配合物以及咪唑桥连的Cu(Ⅱ)，Cu(Ⅱ)配合物，测定了它们的晶体结构；研究了双核Cu(Ⅱ)，Zn(Ⅱ)配合物在水溶液中的物种分布、稳定常数、脱质子常数以及它们作为碱性磷酸酯酶的模拟配合物对对硝基苯酚乙酸酯的催化水解活性和反应机理，阐明了大环配体的结构对模拟配合物水解活性的影响；研究了咪唑桥连Cu(Ⅱ)，Cu(Ⅱ)配合物在溶液中的行为及其作为Cu，Zn-SOD模拟配合物的生物活性。
配体的设计思路
同位素表征已经证实，碱性磷酸酯酶催化磷酸酯水解是同时包含活性中心的双Zn(Ⅱ)和Ser102的协同催化过程：一个Zn(Ⅱ)诱导Ser102在生理pH环境中脱质子，产生亲核的Zn(Ⅱ)-alkoxide作为亲核试剂先进攻磷酸酯生成phosphoseryl-enzyme中间体； 本文设计合成了一系列带羟乙基、羟丙基手臂的24元含苯基间隔的大环多胺双核配体，其特点如下：
1.配体由具有较大柔性的三脚架多胺小配体以间位方式和刚性的苯基相连，这样能在保证大环配体整体柔性的同时又限制配位的金属离子在一定范围之内。
2.两个三脚架单元能分别提供N3O的四配位环境，使配体在与Cu(Ⅱ)，Zn(Ⅱ)配位之后有一个配位空位，在作为碱性磷酸酯酶模拟配合物时可与水分子配位提供亲核性的Zn(Ⅱ)-hydroxide，也可根据需要与咪唑等桥连基团配位。3.两个醇羟基手臂可以与配位的Cu(Ⅱ)，Zn(Ⅱ)桥连，在保持它们在较短的距离内的同时，另一只起到亲核进攻的作用。
带羟乙基和羟丙基手臂的两种新型大环多胺配体都是用2+2环加聚方法合成的：羟乙基二乙烯三胺或羟丙基二乙烯三胺由二乙烯三胺分别与环氧乙烷、环氧丙烷加成制得。在乙腈溶剂中，柔性的羟乙基二乙烯三胺或羟丙基二乙烯三胺和刚性的间苯二甲醛在保持低温和低浓度的条件下缩合成大环席夫碱，然后在无水乙醇中用NaBH4还原而得。合成过程图示如下：
其中的间位带羟乙基手臂的大环配体氢溴酸盐的晶体结构已经测定，整个大环围绕大环的中心呈中心对称，两个羟乙基手臂分布在大环平面的两侧，除两个叔胺N以外的四个仲胺N被质子化。
碱性磷酸酯酶模拟配合物的合成和性质：Zn2C28H48N6O2Br2的合成和晶体结构：晶体结构如图四所示，是由配体L1的氢溴酸盐和ZnSO4在pH=9.0的条件下合成。整个结构呈中心对称，对称中心在Zn,ZnA连线的中点。配体中的两个醇羟基都脱质子生成烷氧基桥连两个锌离子，Zn,ZnA,O,OA在同一平面内，该平面与苯环的二面角为48.5°，两个苯环中心距离为8.103A。Zn,ZnA都采用三角双锥的配位构型，其△=0.202。Zn,ZnA的间距.为3.0669(10)A，Zn-O-ZnA=99.88°。
Cu2C28H54N6O7Cl2的合成和晶体结构：晶体结构如图五所示，是配体L1和CuCl2在pH=8.5的条件下合成。整个结构呈中心对称，对称中心在Cu1,Cu1A连线的中点。配体中的两个醇羟基都脱质子生成烷氧基桥连两个铜离子，Cu1，Cu1A,O1,O1A共平面，该平面与苯环的二面角为54.3°，两个苯环中心距离为8.237A。两个铜离子都采用三角双锥的配位构型。Cu1,Cu1A的间距为2.966A，Cu1-O1
Zn2C30H50N6O5S1的合成和晶体结构：晶体结构如图六所示，是由配体L2和ZnSO4在pH=9.0的条件下合成。整个结构呈中心对称，对称中心在Zn,ZnA连线的中点。配体中的两个醇羟基都脱质子生成烷氧基桥连两个锌离子，Zn1,Zn1A,O1,O1A在同一平面内，该平面与苯环的二面角为46.9°，两个苯环中心巨离为8.166A。Zn1,Zn1A者采用三角双锥的配位构型，Zn,ZnA的间距为3.059A，Zn1-O1-Zn1A的夹角为99.7°。
Cu2C30H56N6O6Cl2的合成和晶体结构：晶体结构如图七所示，是由配体L2和CuCl2在pH=8.5的条件下合成。整个结构呈中心对称，对称中心在Cu1，Cu1A连线的中点。配体中的两个醇羟基都脱质子生成烷氧基桥连两个铜离子，Cu1,Cu1A,O1，O1A共平面，该平面与苯环的二面角为53.3°，两个苯环中心距离为7.852A，均比图五所示配合物要小，虽然结构是只是手臂上增加了两个甲基。两个铜离子都采用三角双锥的配位构型。Cu1,Cu1A的间距为2.975A，Cu1-O1-Cu1A=99.1°
在Cu(Ⅱ)：L1=2：1的体系中，[CuH2L1]4+，[CuHL1]3+，[Cu2L1]4+，[Cu2H-1L1]3+，[Cu2H-2L1]2+是主要组分。[CuH2L1]4+在pH=4.0附近成为溶液中的主要组分，随着pH的升高，在出现另一单核组分[CuHL1]3+的同时，[CuH2L1]4+更趋向于和溶液中的游离Cu(Ⅱ)离子结合生成[Cu2L1]4+，并在pH=5.5附近浓度达到最大值。由于Cu(Ⅱ)的Lewis酸性不及Zn(Ⅱ)，在更高的pH范围内，两个Cu(Ⅱ)不能促使醇羟基同时脱质子生成桥连配合物，而是采取分布脱质子的方式，使[Cu2H-1L1]3+在pH=6.6时在溶液中浓度达到最大值最大占有率为33.9％，而[Cu2H-2L1]2+在更高的pH范围内成为主要组分。
Zn-L1配合物催化对硝基苯酚乙酸酯的水解：本文用UV-3100紫外可见分光光度计在400钠米附近跟踪了对硝基苯酚乙酸酯的水解反应，用初始斜率法测定了Zn-L1配合物促进对硝基苯酚乙酸酯水解的二级速率常数。通过不同pH的催化速率与对应溶液组分比较表明，在pH=7.5附近，也就是[Zn2H-2L1]2+为溶液主要组分时，反应速率只有0.0046M-1s-1，而到了pH=9.0时，也就是[Zn2H-2L1(OH)]+为溶液主要组分时，反应速率达到0.018M-1s-1。这证明双羟基桥连的组分[Zn2H-2L1]2+几乎没有什么催化活性，醇羟基与双锌的桥连配位在降低了醇羟基脱质子的pKa值的同时也削弱了它的亲核进攻能力。只有醇羟基由桥连配位转为端基配位，同时空出的配位点被OH-占据时，才能对对硝基苯酚乙酸酯产生催化。同一条件下Zn-羟乙基二乙烯三胺和由苯基以对位相连的26元大环多胺双锌配合物的催化速率分别为0.13M-1s-1以及0.32M-1s-1。对这些数据的比较说明，Zn-羟乙基二乙烯三胺有较高催化活性，醇羟基桥连的双锌配合物催化活性相比较而言很小，而26元大环多胺Zn配合物中的两个Zn(Ⅱ)相隔很远，在催化过程中可以认为是两个Zn-羟乙基二乙烯三胺，所以有最高的催化活性且几乎是Zn-羟乙基二乙烯三胺催化活性的两倍。正是24元多胺大环和26远多胺大环本身的结构差异决定了前者倾向于生成醇羟基桥连的双锌配合物，而后者中两个平行的苯环将两个Zn(Ⅱ)配位中心隔离开，单独起催化作用。
变温磁化率的测定：在2-300K测定了配合物的变温磁化率，结果表明两个Cu(Ⅱ)通过咪唑桥产生反铁磁相互作用。用Bleaney-Bowers方程对摩尔变温磁化率xM和温度的关系进行拟合得到-2J=72.8cm-1，和其他模拟配合物相比，更接近Zn离子被Cu离子置换的(Cu2，Cu2-SOD)中的-2J=52cm-1。
用ESR研究咪唑桥的溶液行为：110K时，不同pH值时，测量配合物在50％的DMSO水溶液中的ESR谱可以用来研究有咪唑桥连的配合物的稳定程度，以此来验证咪唑桥在真实SOD中的的行为。实验证明，咪唑桥连的双铜结构在5.5≤pH≤12能稳定存在，与Cu，Cu-SOD中咪唑桥稳定存在的范围4.4≤pH≤11非常接近。在4.1≤pH≤5.5时咪唑桥开始断裂，能在ESR谱中观察到游离Cu(Ⅱ)的信号，在pH高于12时，受OH-对Cu(Ⅱ)的竞争作用的影响，咪唑桥也开始断裂。电喷雾质谱在pH=5.0时检测到的[H-2LCu2]2+and[(H-1LCu2)ClO4]2+和在pH=12时检测到的[H-2LCu2(OH)(H2O)]+都证实了咪唑桥裂解产物的存在。模型化合物催化超氧自由基歧化反应：
NBT实验测得在pH=7.8时，模型化合物催化超氧自由基歧化反应的评价参数IC50=0.36μmol·dm-3,在类似的模拟配合物中，是天然SOD活性的11％(天然SOD的IC50=0.04μmol·dm-3)。这个值和一些笼状配合物或26元大环多胺配合物相比，活性有一定增加，也是已知的活性最高的模拟配合物之一。