金屬卟啉催化氧化烴類飽和C—H鍵的理論模擬研究進(jìn)展

王浩，姬東方，于艷敏，佘遠(yuǎn)斌

（1 北京工業(yè)大學(xué)化學(xué)化工系，綠色催化與分離北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100124；2 浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，綠色化學(xué)合成技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，浙江杭州310014）

氧化反應(yīng)是化學(xué)工業(yè)中的重要反應(yīng)，通過氧化反應(yīng)能夠制得超過30%的化工產(chǎn)品[1-2]。烴類飽和C—H鍵的氧化是制備醇和羰基化合物的重要反應(yīng)，其作為氧化領(lǐng)域的重要組成部分，在化學(xué)工業(yè)中發(fā)揮著重要的作用[3]。但烴類化合物的飽和C—H 鍵不活潑，氧化反應(yīng)所需條件苛刻、產(chǎn)物復(fù)雜、選擇性差[4-5]。如何實(shí)現(xiàn)烴類飽和C—H鍵的選擇性氧化一直是化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的難題。隨著綠色化工的進(jìn)一步推進(jìn)，采用高活性、高選擇性的催化劑實(shí)現(xiàn)烴類飽和C—H鍵的選擇性氧化已經(jīng)成為近年來(lái)研究的焦點(diǎn)[6-7]。金屬卟啉及金屬卟啉衍生物作為細(xì)胞色素P450 的核心結(jié)構(gòu)，能夠模擬細(xì)胞色素P450 在溫和條件下活化氧化劑生成卟啉高價(jià)金屬氧化物[8]，并進(jìn)一步高活性、高選擇性地氧化烴類飽和C—H 鍵，實(shí)現(xiàn)烴類飽和C—H 鍵的功能化[9-12]（圖1）。金屬卟啉作為仿生催化劑在催化氧化烴類飽和C—H鍵領(lǐng)域已經(jīng)展現(xiàn)出十分優(yōu)越的性能，并在工業(yè)上具有較好的應(yīng)用前景。郭燦城教授課題組[13]對(duì)金屬卟啉仿生催化氧化環(huán)己烷制備環(huán)己酮的反應(yīng)進(jìn)行了研究。與傳統(tǒng)的環(huán)己烷液相氧化法相比，金屬卟啉催化氧化法制備環(huán)己酮以極少量的鐵卟啉作為仿生催化劑，以空氣為氧化劑，環(huán)己烷的轉(zhuǎn)化率由4%～5%提高到6.6%，環(huán)己酮的選擇性由80%左右提高到97.8%。目前金屬卟啉仿生催化氧化環(huán)己烷已成功實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，推動(dòng)了金屬卟啉仿生催化氧化烴類飽和C—H鍵的反應(yīng)由基礎(chǔ)研究向工業(yè)應(yīng)用的邁進(jìn)[14]。甲苯的催化氧化反應(yīng)在化學(xué)工業(yè)中也是一類非常重要的反應(yīng)。金屬卟啉作為仿生催化劑催化甲苯氧化可以生成苯甲醇、苯甲醛以及苯甲酸。3種產(chǎn)物的選擇性可以通過改變金屬卟啉結(jié)構(gòu)來(lái)加以調(diào)節(jié)，能夠滿足不同化學(xué)品工業(yè)生產(chǎn)的需要。以四苯基鈷卟啉為催化劑，空氣為氧化劑，甲苯的轉(zhuǎn)化率能達(dá)到9%左右，苯甲醇及苯甲醛的收率為60%[15]。當(dāng)四苯基錳卟啉催化氧氣氧化甲苯時(shí)，甲苯的轉(zhuǎn)化率為6%左右，苯甲醇及苯甲醛的收率高達(dá)96%[16]。

圖1 細(xì)胞色素P450催化氧化烴類飽和C—H鍵示意圖［12］

由于金屬卟啉催化劑的眾多優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)金屬卟啉仿生催化劑催化氧化烴類飽和C—H 鍵的反應(yīng)進(jìn)行了大量研究[17]。金屬卟啉仿生催化氧化烴類飽和C—H鍵的研究可以采用實(shí)驗(yàn)的方法和理論模擬的方法。采用實(shí)驗(yàn)方法研究金屬卟啉催化烴類飽和C—H鍵存在成本較高、對(duì)復(fù)雜機(jī)理難以深入探究等問題。隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的發(fā)展，利用理論模擬方法研究金屬卟啉催化氧化烴類飽和C—H鍵反應(yīng)的實(shí)用性進(jìn)一步增強(qiáng)。通過理論模擬方法研究金屬卟啉催化氧化烴類飽和C—H鍵過程中各中間體的結(jié)構(gòu)特性，可以探究金屬卟啉結(jié)構(gòu)性質(zhì)與催化活性和選擇性之間的關(guān)系，得到影響金屬卟啉催化活性和選擇性的關(guān)鍵因素，為實(shí)驗(yàn)上合成高活性高選擇性的金屬卟啉催化劑提供理論指導(dǎo)。利用理論模擬方法探究金屬卟啉催化氧化烴類飽和C—H鍵的反應(yīng)機(jī)理，可以尋找反應(yīng)過程的最優(yōu)路徑，更深入地分析和闡明金屬卟啉催化氧化烴類飽和C—H鍵的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并避免實(shí)驗(yàn)的盲目性造成人力和原料的浪費(fèi)。本文對(duì)近年來(lái)金屬卟啉仿生催化氧化烴類飽和C—H鍵的理論模擬研究進(jìn)行綜述，并對(duì)金屬卟啉在仿生催化領(lǐng)域的理論模擬前景進(jìn)行展望。

1 理論模擬方法

隨著計(jì)算機(jī)硬件及軟件的快速發(fā)展，理論模擬計(jì)算在化學(xué)化工領(lǐng)域的應(yīng)用日益成熟。理論模擬研究金屬卟啉催化氧化烴類飽和C—H鍵反應(yīng)可以采用的理論模擬方法有量子力學(xué)（QM）方法、分子力學(xué)（MM）方法和量子力學(xué)/分子力學(xué)（QM/MM）結(jié)合方法等。常用的量子力學(xué)方法又包括密度泛函理 論（density functional theory，DFT） 方 法[18-19]、從頭算（ab initio）方法[20]、半經(jīng)驗(yàn)（semiempirical）方法[21]等。不同理論模擬方法的特點(diǎn)及適用范圍見表1。

量子力學(xué)方法借助波函數(shù)描述粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并以薛定諤方程描述波函數(shù)的變化規(guī)律，用算符或矩陣方法對(duì)各種物理量進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于金屬卟啉催化氧化烴類飽和C—H鍵過程中涉及的各種幾何性質(zhì)、電子結(jié)構(gòu)、反應(yīng)能量的變化都可以采用量子力學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算。其中密度泛函理論方法是按Hartree-Fock-Roothaan原理借助變分法或者數(shù)值方法，對(duì)分子內(nèi)電子的動(dòng)能和勢(shì)能進(jìn)行計(jì)算得到薛定諤方程的近似解——分子波函數(shù)。密度泛函理論方法計(jì)算精度可通過改變泛函及基組進(jìn)行調(diào)節(jié)，操作簡(jiǎn)便且應(yīng)用靈活，計(jì)算模擬過程中效率較高、誤差小、實(shí)用性強(qiáng)，目前在金屬卟啉體系的計(jì)算中頗受關(guān)注[22-23]。密度泛函理論方法涉及眾多泛函，其中雜化-交換相關(guān)泛函B3LYP[24-25]和范圍分離泛函ωB97X-D[26]對(duì)于卟啉體系計(jì)算準(zhǔn)確度高，受到眾多學(xué)者推崇[27-28]。從頭算方法不借助任何經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，全部嚴(yán)格計(jì)算分子積分以求解全電子體系的薛定諤方程。從頭算方法計(jì)算工作量大，計(jì)算代價(jià)較高，更適用于小分子結(jié)構(gòu)性質(zhì)及能量變化的計(jì)算。在金屬卟啉大環(huán)體系的計(jì)算中，從頭算方法不如密度泛函理論方法計(jì)算效率高。半經(jīng)驗(yàn)方法在計(jì)算過程中或忽略一些積分，或在一些積分值上使用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)近似求解自洽場(chǎng)分子軌道方程，對(duì)計(jì)算過程進(jìn)行了簡(jiǎn)化，提高了計(jì)算效率。但是由于半經(jīng)驗(yàn)方法計(jì)算時(shí)引用了近似來(lái)簡(jiǎn)化工作量，對(duì)能量計(jì)算遠(yuǎn)不及密度泛函理論方法精確、可靠。目前，半經(jīng)驗(yàn)方法常用于較大體系結(jié)構(gòu)的初步優(yōu)化，為進(jìn)一步高精度計(jì)算提供初始結(jié)構(gòu)。當(dāng)對(duì)多系列體系進(jìn)行計(jì)算，比較計(jì)算結(jié)果，尋求結(jié)構(gòu)與性能的遞交規(guī)律時(shí)，采用半經(jīng)驗(yàn)方法快速計(jì)算也具有重要價(jià)值。

分子力學(xué)方法運(yùn)用經(jīng)典力學(xué)模擬分子體系，通過改變分子的幾何構(gòu)型，尋找體系能量最低的結(jié)構(gòu)，在計(jì)算分子體系能量與結(jié)構(gòu)方面應(yīng)用廣泛，能夠?qū)w系進(jìn)行構(gòu)象分析，研究結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系等。分子力學(xué)方法忽略電子的運(yùn)動(dòng)，在原子水平上研究體系的結(jié)構(gòu)，適用于研究原子數(shù)成千甚至百萬(wàn)的大型體系，計(jì)算效率高。但由于分子力學(xué)計(jì)算過程中需要借助相應(yīng)的力場(chǎng)參數(shù)，導(dǎo)致分子力學(xué)方法的使用存在局限性。力場(chǎng)參數(shù)不適合或缺少相應(yīng)的力場(chǎng)參數(shù)都會(huì)使體系結(jié)構(gòu)和能量的計(jì)算不夠精確。分子力學(xué)方法在金屬卟啉體系中可用于結(jié)構(gòu)的構(gòu)象搜索。

量子力學(xué)/分子力學(xué)結(jié)合方法使用量子力學(xué)方法計(jì)算體系中重要的、涉及化學(xué)鍵變化的部分，同時(shí)利用分子力學(xué)方法來(lái)計(jì)算體系中次要部分的結(jié)構(gòu)和能量。量子力學(xué)/分子力學(xué)結(jié)合方法既包含了量子力學(xué)方法的精確性，又利用了分子力學(xué)方法的高效性，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，能夠快速精確計(jì)算體系的相關(guān)性質(zhì)。量子力學(xué)/分子力學(xué)結(jié)合方法在酶活性位點(diǎn)反應(yīng)、液體或大分子環(huán)境中的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理研究方面應(yīng)用廣泛。在金屬卟啉體系的計(jì)算研究中，量子力學(xué)/分子力學(xué)結(jié)合方法多用于研究蛋白質(zhì)環(huán)境中金屬卟啉參與的催化氧化反應(yīng)。利用量子力學(xué)方法中的密度泛函理論方法計(jì)算金屬卟啉催化氧化過程的結(jié)構(gòu)性質(zhì)及能量變化，利用分子力學(xué)方法模擬體系的蛋白質(zhì)環(huán)境，以探究蛋白質(zhì)環(huán)境對(duì)催化氧化反應(yīng)的影響。

表1 不同理論模擬方法的特點(diǎn)及適用范圍

2 金屬卟啉幾何及電子性質(zhì)的理論計(jì)算

卟啉是由4個(gè)吡咯環(huán)的α-碳原子通過4個(gè)次甲基橋互聯(lián)而形成的共軛大環(huán)化合物，其母體化合物為卟吩[圖2(a)]。卟吩自由堿的氮原子與金屬陽(yáng)離子配位，金屬陽(yáng)離子取代氮原子上的氫原子，生成金屬卟啉[圖2(b)]。卟啉中心金屬離子可以連接不同軸向配體，卟啉環(huán)中位和β位碳原子上的氫原子均可被其他基團(tuán)（中位取代基R1，β 位取代基R2）取代生成金屬卟啉衍生物[圖2(b)]。金屬卟啉結(jié)構(gòu)的變化可以影響其幾何性質(zhì)和電子性質(zhì)，并進(jìn)一步影響金屬卟啉作為仿生催化劑催化氧化烴類飽和C—H 鍵的活性和選擇性。利用理論模擬的方法，優(yōu)化金屬卟啉幾何結(jié)構(gòu)，通過對(duì)鍵長(zhǎng)、鍵角等幾何性質(zhì)，電子密度、前線分子軌道等電子性質(zhì)的分析，深入挖掘金屬卟啉的結(jié)構(gòu)特性，闡明其對(duì)催化氧化烴類飽和C—H鍵的影響。

圖2 卟吩及卟啉結(jié)構(gòu)

金屬卟啉環(huán)外取代基對(duì)改變金屬卟啉的幾何和電子性質(zhì)起到了重要作用。環(huán)外取代基的位置和種類均能影響金屬卟啉的幾何性質(zhì)和電子性質(zhì)。She等[29]利用密度泛函理論方法B3LYP和基組6-31G(d)計(jì)算了帶有不同環(huán)外取代基（—H、—Cl、—NO2、—OH、—OCH3）的四苯基鐵卟啉的幾何性質(zhì)。當(dāng)四苯基鐵卟啉中位苯基帶有對(duì)位取代基時(shí)，環(huán)外苯基環(huán)與卟啉環(huán)之間的二面角為64°～69°。當(dāng)四苯基鐵卟啉中位苯基帶有鄰位取代基時(shí)，由于苯基鄰位取代基與卟啉環(huán)之間存在較大的電子排斥與空間位阻作用，使四苯基鐵卟啉環(huán)外苯基環(huán)幾乎垂直于卟啉環(huán)。Mobin 等[30]利用密度泛函理論方法B3LYP 和基組6-31G(d)對(duì)帶有3 種不同環(huán)外取代基（苯基、噻吩基、呋喃基）的鎂卟啉（圖3）結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)環(huán)外取代基為苯基和噻吩基時(shí)，取代基環(huán)平面垂直于鎂卟啉環(huán)平面。而環(huán)外取代基為呋喃基時(shí)，呋喃環(huán)與鎂卟啉環(huán)在同一平面上，表明呋喃基和鎂卟啉環(huán)之間存在更強(qiáng)的共軛相互作用。對(duì)于帶有不同環(huán)外取代基的四苯基鈷卟啉，當(dāng)鈷卟啉環(huán)外苯基上無(wú)取代基或者對(duì)位帶有一個(gè)氯取代基時(shí)，鈷卟啉為平面大環(huán)結(jié)構(gòu)。當(dāng)鈷卟啉環(huán)外苯基鄰位帶有兩個(gè)氯取代基時(shí)，鈷卟啉有輕微的扭曲，表現(xiàn)為部分共軛作用。當(dāng)鈷卟啉環(huán)外苯基與卟啉環(huán)β位的氫原子全部被氯取代時(shí)，鈷卟啉環(huán)彎曲為馬鞍型結(jié)構(gòu)。鈷卟啉獨(dú)特的幾何性質(zhì)也反映在Co—N鍵的平均長(zhǎng)度上。馬鞍型鈷卟啉的Co—N鍵鍵長(zhǎng)約為1.93?（1?=0.1nm），其他構(gòu)型的鈷卟啉Co—N 鍵鍵長(zhǎng)均約為1.98?[31]。

圖3 取代鎂卟啉的分子結(jié)構(gòu)［30］

除幾何性質(zhì)外，環(huán)外取代基對(duì)金屬卟啉的電子性質(zhì)也有一定的影響。對(duì)不同取代鐵卟啉的前線分子軌道進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)[29]，四苯基鐵卟啉環(huán)外帶有吸電子取代基（—Cl、—NO2）時(shí)可以同時(shí)降低其最高占據(jù)軌道（HOMO）與最低空軌道（LUMO）的能量，而帶有供電子取代基（—OH、—OCH3）時(shí)可以提高其HOMO與LUMO的能量。Rosa等[32]利用密度泛函理論方法B3LYP研究鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物氧化甲烷的過程，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)對(duì)Fe、O原子、軸向配體上的O、H原子及卟啉環(huán)上的N原子采用def2-TZVP 基組，其他原子則采用def2-SV(P)基組，在單點(diǎn)能計(jì)算時(shí)所有原子均采用def2-TZVP基組。結(jié)果發(fā)現(xiàn)鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物環(huán)外中位吡啶取代基上的正電荷和卟啉環(huán)上的正電荷都能減小甲烷電子供體軌道與鐵卟啉電子受體軌道之間的能隙，從而降低氫提取過程的反應(yīng)能壘，提高鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物的反應(yīng)活性。Wang等[33]利用密度泛函理論方法B3LYP 和基組LANL2DZ 深入研究了卟啉環(huán)外中位供電子取代基和卟啉環(huán)外β位側(cè)鏈對(duì)卟啉和鋅卟啉（圖4）電子性質(zhì)的影響。借助密度泛函理論計(jì)算前線分子軌道能量發(fā)現(xiàn)，卟啉環(huán)外中位的供電子取代基能夠提高卟啉HOMO 的能量。卟啉環(huán)外β位側(cè)鏈中共振能較低的取代基能夠降低卟啉及鋅卟啉HOMO 和LUMO 的能量以及HOMO與LUMO之間的能隙。

圖4 取代卟啉及取代鋅卟啉的分子結(jié)構(gòu)［33］

除卟啉環(huán)外取代基外，卟啉中心金屬離子對(duì)金屬卟啉幾何及電子性質(zhì)的影響也較為顯著。卟啉中心金屬離子直接與卟啉大環(huán)相互作用。金屬離子不同會(huì)對(duì)金屬離子與卟啉環(huán)之間的相互作用產(chǎn)生影響，從而改變金屬卟啉的幾何性質(zhì)和電子性質(zhì)。通過對(duì)金屬卟啉前線分子軌道的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)中心金屬離子不同的金屬卟啉前線分子軌道組成不同，易變價(jià)金屬（Fe、Mn、Co）卟啉的前線分子軌道主要成分為金屬離子的3d 軌道，不易變價(jià)金屬（Cu、Zn）卟啉的前線分子軌道為卟啉配體的大π 鍵[34]。取代四苯基金屬卟啉催化氧化環(huán)己烷的反應(yīng)中，卟啉中心金屬離子不同，其前線分子軌道能量也有所不同[35]。與鈷卟啉和鎳卟啉相比，錳卟啉前線分子軌道能隙較低，且錳卟啉前線分子軌道能量與氧氣前線分子軌道能量最為接近，錳卟啉活化氧氣能力最強(qiáng)。在金屬卟啉絡(luò)合氧氣生成卟啉高價(jià)金屬氧化物后，鈷卟啉高價(jià)金屬氧化物的前線分子軌道能隙最低，且鈷卟啉高價(jià)金屬氧化物的LUMO與環(huán)己烷的HOMO 能量接近，有利于電子由環(huán)己烷轉(zhuǎn)移至鈷卟啉高價(jià)金屬氧化物，鈷卟啉高價(jià)金屬氧化物氧化底物活性最高。Patra等[36]利用密度泛函理論方法B3LYP 計(jì)算了中心金屬離子價(jià)態(tài)不同的鐵卟啉結(jié)構(gòu)（圖5）。計(jì)算過程中對(duì)過渡金屬鐵采用LANL2DZ 贗勢(shì)基組，其他原子則采用6-31G(d, p)基組。當(dāng)中心鐵離子為正二價(jià)時(shí)，兩個(gè)1-甲基咪唑軸向配體咪唑環(huán)平面之間的二面角為80.7°，接近相互垂直。當(dāng)中心鐵離子為正三價(jià)時(shí)，卟啉的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，兩個(gè)1-甲基咪唑軸向配體咪唑環(huán)平面之間的二面角為8.6°，二者接近相互平行。

圖5 取代鐵卟啉的分子結(jié)構(gòu)［36］

卟啉中心金屬離子可以連接不同軸向配體，軸向配體的改變也可以影響金屬卟啉的性質(zhì)。She等[29]利用密度泛函理論方法B3LYP和6-31G(d)基組計(jì)算了氯軸向配體對(duì)四苯基鐵卟啉幾何性質(zhì)的影響。氯軸向配體可以增長(zhǎng)四苯基鐵卟啉中鐵離子與吡咯氮原子之間Fe—N鍵的鍵長(zhǎng)，同時(shí)使鐵離子由卟啉環(huán)外向卟啉環(huán)中心移動(dòng)。對(duì)帶有不同含氮軸向配體（咪唑及其衍生物、吡啶及其衍生物、哌啶、三乙胺）的錳(Ⅴ)卟啉高價(jià)金屬氧化物的幾何性質(zhì)進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)，由于含氮軸向配體與中心錳離子的相互作用，影響Mn—N（軸向配體）鍵鍵長(zhǎng)，從而改變Mn—O 鍵鍵長(zhǎng)，使其隨著Mn—N（軸向配體）鍵鍵長(zhǎng)減小而增加。其中由于咪唑比吡啶供電子能力更強(qiáng)，咪唑軸向配體與中心錳離子相互作用更強(qiáng)，Mn—N（軸向配體）鍵鍵長(zhǎng)較小。三乙胺與卟啉間存在較強(qiáng)的空間位阻作用，導(dǎo)致Mn—N（軸向配體）鍵鍵長(zhǎng)最大[37]。Das等[38]利用密度泛函理論方法B3LYP 及BP86，對(duì)Fe、N、O、S 原子采用6-311G(d)基組，其他原子C、H則采用6-31G(d)基組，優(yōu)化軸向配體為巰基的鐵卟啉結(jié)構(gòu)，單點(diǎn)能計(jì)算時(shí)所有原子采用6-311+G(d)基組計(jì)算。研究發(fā)現(xiàn)巰基能夠與中心鐵離子生成較強(qiáng)的共價(jià)鍵，導(dǎo)致鐵離子3d 軌道能量增加，減弱鐵離子與卟啉環(huán)的相互作用，提高Fe—N鍵的鍵長(zhǎng)。

3 金屬卟啉活化氧氣

金屬卟啉催化氧化烴類飽和C—H 鍵的反應(yīng)中，第一個(gè)關(guān)鍵步驟是金屬卟啉活化氧化劑。目前常用的氧化劑種類眾多，如亞碘酰苯（PhIO）[39]、高碘酸鈉（NaIO4）[40]、過氧化氫（H2O2）[41]、氧氣（O2）[42-43]等。其中由于氧氣價(jià)格低廉，環(huán)境友好，成為金屬卟啉催化氧化反應(yīng)中氧化劑的最佳選擇。金屬卟啉活化氧氣生成卟啉高價(jià)金屬氧化物，對(duì)于金屬卟啉催化氧化烴類飽和C—H鍵的反應(yīng)具有重要意義[44]。

在眾多金屬卟啉中，目前研究較多的是鐵卟啉對(duì)分子氧的活化。Ali 等[45]利用密度泛函理論方法模擬計(jì)算了軸向配體為咪唑的鐵卟啉與分子氧的反應(yīng)。模擬計(jì)算采用密度泛函理論方法B3LYP，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)對(duì)過渡金屬鐵采用LANL2DZ贗勢(shì)基組，其他原子C、H、O、N 則采用6-311G(d,p)基組，在單點(diǎn)能計(jì)算時(shí)所有原子均采用6-311G(d,p)基組。通過計(jì)算研究自旋S=0、1、2、3 時(shí)鐵卟啉雙氧加和物的幾何結(jié)構(gòu)及能量，發(fā)現(xiàn)鐵卟啉雙氧加和物自旋S=0，即單重態(tài)時(shí)最穩(wěn)定。對(duì)于鐵卟啉與分子氧之間的反應(yīng)過程研究發(fā)現(xiàn)，兩者之間是通過非鍵相互作用開始的，如電荷-偶極相互作用、偶極-偶極相互作用、范德華相互作用。這些非鍵相互作用重新分配了鐵卟啉的π-電子密度，使鐵離子偏離卟啉環(huán)平面的距離減小。鐵卟啉與分子氧反應(yīng)的過程中，隨著鐵卟啉與分子氧逐漸接近，F(xiàn)e—O距離越來(lái)越小。當(dāng)Fe—O 距離為1.78? 時(shí)，鐵離子與卟啉環(huán)幾乎在同一平面內(nèi)，鐵卟啉與分子氧絡(luò)合生成穩(wěn)定的鐵卟啉雙氧加和物。金屬卟啉與分子氧所形成的雙氧加和物是研究金屬卟啉活化氧氣的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。Pierloot 等[46]利用密度泛函理論方法BP86，對(duì)比研究了鐵卟啉雙氧加和物與錳卟啉雙氧加和物的幾何構(gòu)型。對(duì)過渡金屬鐵、錳采用ECP-10-MDF贗勢(shì)基組，其他原子C、H、O、N采用6-31G(d)基組。通過計(jì)算不同結(jié)合模式的基態(tài)結(jié)構(gòu)，即自旋S=0 的單重態(tài)鐵卟啉雙氧加和物及自旋S=3/2 的四重態(tài)錳卟啉雙氧加和物發(fā)現(xiàn)，鐵卟啉雙氧加和物存在兩種end-on構(gòu)型，見圖6(a)和(b)。構(gòu)型(a)為O—O鍵在卟啉環(huán)上的投影與卟啉環(huán)上的Fe—N 鍵成45°角。構(gòu)型(b)為O—O鍵在卟啉環(huán)上的投影與卟啉環(huán)上的Fe—N 鍵重合。這兩種構(gòu)型能量相差約2kcal/mol（1kcal=4.18kJ），構(gòu)型(a)能量更低，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。錳卟啉雙氧加和物的結(jié)構(gòu)為side-on構(gòu)型，見圖6(c)和(d)。構(gòu)型(c)為O—O 鍵在卟啉環(huán)上的投影與卟啉環(huán)上的Fe—N鍵成45°角，構(gòu)型(d)為O—O鍵在卟啉環(huán)上的投影與卟啉環(huán)上的Fe—N 鍵重合，構(gòu)型(d)為穩(wěn)定構(gòu)型。對(duì)比計(jì)算兩種金屬卟啉與分子氧反應(yīng)的結(jié)合焓發(fā)現(xiàn)，分子氧與錳卟啉的相互作用比與鐵卟啉的相互作用強(qiáng)。

圖6 鐵卟啉和錳卟啉雙氧加和物的幾何構(gòu)型［46］

相比于鐵卟啉與分子氧反應(yīng)所形成雙氧加和物的幾何結(jié)構(gòu)，鐵卟啉雙氧加和物的電子結(jié)構(gòu)至今仍存在爭(zhēng)議。早在1936 年，Pauling 等[47]通過磁性測(cè)量發(fā)現(xiàn)鐵卟啉雙氧加和物的Fe—O鍵是自旋S=0的單重態(tài)鐵離子與自旋S=0的單重態(tài)分子氧之間的相互作用。1960 年，McClure[48]通過光學(xué)吸收光譜、電子自旋共振等實(shí)驗(yàn)方法研究提出另一種電子構(gòu)型，認(rèn)為Fe—O鍵是自旋S=1的三重態(tài)鐵離子與自旋S=1 的三重態(tài)分子氧之間的相互作用。之后Goddard等[49]利用從頭算方法對(duì)Mcclure提出的觀點(diǎn)進(jìn)行了進(jìn)一步印證。隨后在1964 年，Weiss[50]基于鐵卟啉雙氧加和物合成過程中的光譜數(shù)據(jù)等提出第三種電子構(gòu)型，即鐵離子與分子氧成鍵部分為自旋S=1/2 的二重態(tài)鐵離子與自旋S=1/2 的二重態(tài)O2-之間反鐵磁耦合。后人在此三種電子構(gòu)型（圖7）的基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量研究[27,51-53]。2008 年，Shaik 等[27]利用量子力學(xué)/分子力學(xué)結(jié)合方法對(duì)鐵卟啉與分子氧的鍵合性質(zhì)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)鐵卟啉與分子氧的鍵合性質(zhì)受外界因素的影響，在反應(yīng)過程中蛋白質(zhì)環(huán)境或軸向配體的微小變化都會(huì)影響其電子構(gòu)型。

圖7 鐵卟啉雙氧加和物的電子構(gòu)型［53］

除鐵卟啉之外，其他金屬卟啉活化分子氧的研究近年來(lái)也有很大進(jìn)展。Witko 等[54]對(duì)不同金屬（錳、鉬、鈷）卟啉活化分子氧的過程采用密度泛函理論方法GGA-RPBE 和基組DZVP 進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果顯示錳卟啉和鉬卟啉雙氧加和物為side-on 構(gòu)型[圖8(a)]，其與一個(gè)氫原子反應(yīng)生成氫過氧化物[圖8(c)]，繼而與第二個(gè)氫原子反應(yīng)并脫水最終生成卟啉高價(jià)金屬氧化物[圖8(d)]。鈷卟啉雙氧加和物為end-on 構(gòu)型[圖8(b)]，與兩個(gè)氫原子反應(yīng)后，不易脫去水分子，所以不會(huì)生成最終的卟啉高價(jià)金屬氧化物。Witko 等[55]又采用密度泛函理論方法LDA-VWN 及GGA-RPBE，基組DZVP 對(duì)錳卟啉活化分子氧的熱力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行計(jì)算。分子氧與錳卟啉反應(yīng)為吸熱過程，分子氧與還原的錳卟啉反應(yīng)為放熱過程。所以分子氧更傾向于在錳卟啉還原后與其反應(yīng)生成錳卟啉雙氧加和物，最終O—O鍵斷裂生成錳(Ⅴ)卟啉高價(jià)金屬氧化物。對(duì)于四苯基鈷卟啉與分子氧的反應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)四苯基鈷卟啉與分子氧結(jié)合后，四苯基鈷卟啉結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化。四苯基鈷卟啉原為平面環(huán)狀結(jié)構(gòu)，中位苯基環(huán)垂直于卟啉環(huán)平面。與分子氧結(jié)合后，四苯基鈷卟啉平面結(jié)構(gòu)輕微彎曲為馬鞍形結(jié)構(gòu)，環(huán)外苯基環(huán)旋轉(zhuǎn)與四苯基鈷卟啉平面形成74.5°二面角。立體旋轉(zhuǎn)促進(jìn)電子由環(huán)外苯基向鈷卟啉大環(huán)轉(zhuǎn)移，進(jìn)而轉(zhuǎn)移至分子氧，有利于分子氧的活化[56]。

圖8 金屬卟啉活化分子氧過程中的不同構(gòu)型［54］

金屬卟啉活化分子氧的反應(yīng)受金屬卟啉幾何性質(zhì)的影響。鐵卟啉雙氧加和物中，含氮軸向配體（氨、咪唑、吡啶及其衍生物）能夠吸引鐵離子偏離卟啉環(huán)，形成一個(gè)空腔，促進(jìn)鐵卟啉與分子氧結(jié)合。軸向配體上與中心鐵離子相連的氮原子的電子密度越大，鐵卟啉與分子氧反應(yīng)活性越強(qiáng)。生成鐵卟啉雙氧加和物后，分子氧上的負(fù)電荷越多，其活性越強(qiáng)，促進(jìn)其參與后續(xù)的催化氧化反應(yīng)[57]。Boyd等[58]借助密度泛函理論方法ωB97X-D，對(duì)過渡金屬鐵采用6-311+G(f)基組，對(duì)N、S、O 原子采用6-311+G(d)基組，對(duì)C、H 原子采用6-31G 基組，計(jì)算研究軸向配體對(duì)鐵卟啉活化分子氧的影響。研究發(fā)現(xiàn)，除軸向配體上具有較高的電子密度外，軸向配體與鐵卟啉之間較強(qiáng)的相互作用也是保障鐵卟啉與分子氧具有較強(qiáng)親和力的必要因素。在帶有不同環(huán)外取代基的四苯基金屬卟啉活化分子氧過程中，當(dāng)四苯基金屬卟啉環(huán)外中位苯基對(duì)位為吸電子取代基時(shí)，四苯基金屬卟啉環(huán)上的負(fù)電荷減少。吸電子取代基越強(qiáng)，越容易降低卟啉環(huán)上的負(fù)電荷密度，增強(qiáng)分子氧與中心金屬離子的結(jié)合能力，從而有利于金屬卟啉活化分子氧[36,59]。除金屬卟啉軸向配體與環(huán)外取代基之外，金屬卟啉大環(huán)結(jié)構(gòu)的差異也會(huì)影響其與分子氧的反應(yīng)。幾種卟啉大環(huán)彎曲程度不同的四苯基鈷卟啉與分子氧反應(yīng)，卟啉大環(huán)彎曲程度較大的馬鞍形結(jié)構(gòu)鈷卟啉在與分子氧結(jié)合過程中存在空間位阻，不利于分子氧的活化，當(dāng)鈷卟啉大環(huán)為平面時(shí)，活化分子氧的能力最強(qiáng)[31]。

4 卟啉高價(jià)金屬氧化物氧化烴類飽和C—H鍵

卟啉高價(jià)金屬氧化物作為金屬卟啉催化氧化烴類飽和C—H鍵的活性物種，能夠在溫和的條件下氧化烴類飽和C—H 鍵[12]。卟啉高價(jià)金屬氧化物氧化烴類飽和C—H鍵的反應(yīng)機(jī)理，一直是仿生催化領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。對(duì)反應(yīng)機(jī)理的深入剖析有助于探究其催化劑本質(zhì)，從而為進(jìn)一步設(shè)計(jì)新型高效的金屬卟啉催化劑提供方向。目前，在卟啉高價(jià)金屬氧化物氧化烴類飽和C—H鍵的反應(yīng)中，采用理論模擬方法研究較多的是鐵卟啉和錳卟啉的高價(jià)金屬氧化物對(duì)烴類飽和C—H鍵的氧化。

圖9 鐵卟啉催化氧化烴類飽和C—H鍵的反彈機(jī)理［63-64］

Groves 等[60-63]提出的反彈機(jī)理目前廣泛應(yīng)用于鐵卟啉催化氧化烴類飽和C—H鍵的反應(yīng)中。反彈機(jī)理涉及兩個(gè)關(guān)鍵步驟，首先鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物作為活性物種從烷烴飽和C—H鍵提取氫原子，形成高價(jià)羥基取代鐵(Ⅳ)卟啉及烷基自由基，然后羥基反彈至烷基自由基生成最終的羥基化產(chǎn)物，見圖9[63-64]。其中卟啉高價(jià)金屬氧化物從烷烴飽和C—H 鍵提取氫原子的過程為反應(yīng)的速控步驟。基于反彈機(jī)理，Shaik等[65-67]利用密度泛函理論方法B3LYP，對(duì)過渡金屬鐵采用LACVP 基組，其他原子采用6-31G基組，研究P450活化甲烷C—H鍵的反應(yīng)，并在此基礎(chǔ)上提出了兩態(tài)反應(yīng)機(jī)理。兩態(tài)反應(yīng)機(jī)理中，鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物作為氧化的活性中心，自旋S=1/2 時(shí)為低自旋（low spin，LS）二重態(tài)，自旋S=3/2 時(shí)為高自旋（high spin，HS）四重態(tài)。兩種自旋態(tài)的反應(yīng)路徑都是鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物從烷烴中提取氫原子，然后羥基反彈至烷基自由基生成醇。當(dāng)鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物為四重態(tài)時(shí)，羥基反彈步驟存在一個(gè)較小的能壘，為分步反應(yīng)。當(dāng)鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物為二重態(tài)時(shí)，羥基直接反彈至烷基自由基生成羥基化產(chǎn)物，為協(xié)同反應(yīng)。整個(gè)反應(yīng)過程中兩種自旋態(tài)能量相差較小，二者共同作用使烷烴羥基化反應(yīng)得以進(jìn)行，見圖10。對(duì)不同自旋態(tài)下鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物奪氫過程的過渡態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物為二重態(tài)及四重態(tài)時(shí)，過渡態(tài)結(jié)構(gòu)中Fe—O—H 夾角約為120°[圖11(a)]。當(dāng)鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物為能量更高的六重態(tài)時(shí)，過渡態(tài)結(jié)構(gòu)中Fe—O—H夾角約為180°[圖11(b)][68]?；趦蓱B(tài)反應(yīng)機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物氧化烷烴飽和C—H鍵的反應(yīng)進(jìn)行了諸多研究[69-74]。Wu等[73]利用密度泛函理論方法B3LYP和基組6-31G對(duì)鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物氧化甲烷的過程進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，在甲烷與鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物不斷接近的初期，甲烷C—H 鍵鍵長(zhǎng)基本不變，甲烷與鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物之間的相互作用是能量變化的決定因素。當(dāng)兩者接近至C—O 距離為2.59～2.60? 時(shí)，C—O 距離保持不變，氫原子不斷向氧原子移動(dòng)，C—H 鍵鍵長(zhǎng)增長(zhǎng)，直至生成過渡態(tài)結(jié)構(gòu)，此時(shí)鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物的電子結(jié)構(gòu)及甲烷C—H鍵的解離能是能量變化的決定因素。研究軸向配體對(duì)鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物氧化環(huán)己烷飽和C—H鍵的影響發(fā)現(xiàn)，供電子軸向配體能夠加強(qiáng)FeO—H鍵，削弱Fe＝O 鍵，從而提高鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物提取環(huán)己烷氫原子及羥基反彈的反應(yīng)活性[74]。

圖10 鐵卟啉催化氧化烷烴羥基化反應(yīng)的兩態(tài)反應(yīng)機(jī)理［67］

圖11 不同自旋態(tài)的鐵（Ⅳ）卟啉高價(jià)金屬氧化物氧化烷烴C—H鍵的過渡態(tài)結(jié)構(gòu)［68］

鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物氧化烷烴C—H 鍵的反應(yīng)能壘主要受烷烴C—H鍵解離能的影響，烷烴C—H 鍵解離能越大，反應(yīng)能壘越高[75]，但外圍環(huán)境的影響也可能改變反應(yīng)能壘的大小。Wang等[76]借助密度泛函理論方法B3LYP 計(jì)算鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物連續(xù)兩次羥基化異戊烷的反應(yīng)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)對(duì)過渡金屬鐵采用LACVP 基組，其他原子采用6-31G 基組，即LACVP/6-31G，計(jì)算單點(diǎn)能時(shí)采用更高精度基組LACVP+(d,p)/6-311+G(d,p)。兩次羥基化反應(yīng)都遵循兩態(tài)反應(yīng)機(jī)理。第二次羥基化過程中，由于底物上羥基與鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物的氧原子之間存在氫鍵作用，反應(yīng)能壘比第一次羥基化反應(yīng)能壘高2kcal/mol。鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物氧化莰酮飽和C—H 鍵過程中，當(dāng)鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物活性位點(diǎn)存在水分子時(shí)，水分子與鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物軸向氧原子之間存在氫鍵作用，由于過渡態(tài)結(jié)構(gòu)中電荷由莰酮轉(zhuǎn)移至氧原子，增加了氧原子的負(fù)電荷，致使過渡態(tài)結(jié)構(gòu)的氫鍵作用更強(qiáng)，降低了氫提取步能壘[77]。對(duì)于反應(yīng)環(huán)境的影響，可以采用量子力學(xué)/分子力學(xué)結(jié)合方法計(jì)算。量子力學(xué)/分子力學(xué)結(jié)合方法可以用分子力學(xué)方法計(jì)算環(huán)境中的物質(zhì)與鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物之間的相互作用，用量子力學(xué)方法計(jì)算鐵卟啉對(duì)烴類分子的催化氧化[78-81]。Shaik等[79]利用量子力學(xué)/分子力學(xué)結(jié)合計(jì)算方法對(duì)鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物氧化小分子烷烴（甲烷、乙烷、丙烷）的反應(yīng)過程進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，小分子烷烴容易逃離鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物的活性位點(diǎn)，全氟癸酸的存在可以使小分子烷烴固定在活性位點(diǎn)附近，從而提高鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物對(duì)小分子烷烴的氧化。蛋白質(zhì)環(huán)境與鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物之間存在非鍵相互作用（靜電相互作用、范德華相互作用、極化作用），對(duì)鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物的反應(yīng)活性也有一定影響[80]。Lu等[81]借助量子力學(xué)/分子力學(xué)結(jié)合方法計(jì)算了Thr303 殘基對(duì)核心結(jié)構(gòu)為鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物的細(xì)胞色素P450氧化乙醇的影響。當(dāng)不存在Thr303 殘基時(shí)，P450 既可以提取乙醇飽和C—H鍵的氫原子，也可以提取乙醇羥基上的氫原子，兩種反應(yīng)路徑相互競(jìng)爭(zhēng)。當(dāng)反應(yīng)環(huán)境中加入Thr303 殘基后，Thr303 殘基與乙醇之間形成氫鍵，使乙醇分子以特定構(gòu)型固定于活性位點(diǎn)附近，促使P450提取乙醇羥基上的氫原子，導(dǎo)致P450活化氧化乙醇飽和C—H的能力降低。

除鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物外，錳(Ⅴ)卟啉高價(jià)金屬氧化物氧化烷烴C—H鍵同樣遵循反彈機(jī)理。對(duì)于軸向配體為咪唑、吡啶、2,6-二甲基吡啶的四苯基錳(Ⅴ)卟啉高價(jià)金屬氧化物和五氟苯基錳(Ⅴ)卟啉高價(jià)金屬氧化物，Rezaeifard 等[82]借助密度泛函理論方法B3LYP 計(jì)算其氧化環(huán)己烷過程中氫提取步過渡態(tài)的結(jié)構(gòu)及能量。計(jì)算過程中對(duì)過渡金屬錳采用LANL2DZ 贗勢(shì)基組，其他原子采用6-31G(d)基組。由于配體的供電子能力不同，導(dǎo)致帶有不同軸向配體的四苯基錳(Ⅴ)卟啉高價(jià)金屬氧化物的氧化能力大小順序?yàn)檫溥颍具拎ぃ?,6-二甲基吡啶。但對(duì)于五氟苯基錳(Ⅴ)卟啉高價(jià)金屬氧化物，由于吡啶環(huán)上的氫原子、2,6-二甲基吡啶中甲基上的氫原子與卟啉環(huán)外苯基的氟原子之間存在氫鍵作用，顯著降低了氫提取步能壘，導(dǎo)致帶有不同軸向配體的五氟苯基錳(Ⅴ)卟啉高價(jià)金屬氧化物的氧化能力為吡啶＞2,6-二甲基吡啶＞咪唑。除了氫提取步能壘之外，羥基反彈步能壘也受軸向配體的影響。Groves 等[83]借助密度泛函理論方法B3LYP，對(duì)過渡金屬錳采用LACVP(d,p)基組，其他原子采用6-31G(d,p)基組，計(jì)算研究軸向配體為H2O、CH3CN、F-、OH-、O2-的錳卟啉的羥基反彈步能壘，通過研究錳卟啉與甲烷反應(yīng)的羥基反彈步勢(shì)能曲線（圖12）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)軸向配體為F-、OH-、O2-時(shí)，羥基反彈能壘顯著增加。

圖12 錳（Ⅳ）卟啉氫氧化物與甲基自由基反應(yīng)的反彈勢(shì)能曲線［83］

除烷烴中的飽和C—H 鍵外，金屬卟啉也能催化氧化烯烴分子中的飽和C—H 鍵。Harvey 等[84]利用量子力學(xué)/分子力學(xué)結(jié)合方法計(jì)算了P450氧化丙烯、環(huán)己烯飽和C—H鍵的選擇性，發(fā)現(xiàn)P450對(duì)特定活性位點(diǎn)的相對(duì)反應(yīng)活性是影響反應(yīng)選擇性的關(guān)鍵因素。由于烯烴結(jié)構(gòu)中存在飽和C—H鍵和C＝C鍵兩種可氧化位點(diǎn)。在金屬卟啉催化氧化烯烴的反應(yīng)中，金屬卟啉可以選擇性催化氧化飽和C—H鍵發(fā)生羥基化反應(yīng)生成相應(yīng)的醇，也可以選擇性催化氧化較為活潑的C＝C 鍵生成環(huán)氧化物[85]。Sharma等[86]借助密度泛函理論方法B3LYP，對(duì)過渡金屬鐵采用LACVP 基組，其他原子采用6-31G 基組，計(jì)算探究了鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物催化氧化丙烯體系中羥基化和環(huán)氧化這兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)的機(jī)理（圖13）。丙烯可以通過烯丙位氫原子或不飽和碳原子與鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物發(fā)生反應(yīng)。丙烯烯丙位氫原子與鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物反應(yīng)時(shí)，遵循反彈機(jī)理，發(fā)生羥基化反應(yīng)。丙烯不飽和碳原子與鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物反應(yīng)，F(xiàn)e—O鍵斷裂，C—O鍵生成，最終環(huán)閉合生成環(huán)氧化物。兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)的存在導(dǎo)致烯烴的催化氧化產(chǎn)物選擇性差，產(chǎn)物復(fù)雜。Gupta 等[87]運(yùn)用密度泛函理論方法B3LYP計(jì)算鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物氧化環(huán)己烯的反應(yīng)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)對(duì)過渡金屬鐵采用LACVP基組，其他原子采用6-31G 基組，即LACVP/6-31G。計(jì)算單點(diǎn)能時(shí)采用更高精度基組LACV3P/6-311+G(d)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)環(huán)己烯C＝C 環(huán)氧化過程能壘較低，為主要反應(yīng)。但是由于環(huán)己烯羥基化過程的能壘僅比環(huán)氧化過程高3.2kcal/mol，使通過改變外部條件來(lái)轉(zhuǎn)換反應(yīng)路徑，提高反應(yīng)對(duì)羥基化產(chǎn)物的選擇性成為可能。當(dāng)環(huán)己烯上的氫原子被氘原子取代后，由于存在隧穿效應(yīng)，當(dāng)溫度降低時(shí)，C—H羥基化過程成為優(yōu)選路徑。

圖13 鐵（Ⅳ）卟啉高價(jià)金屬氧化物氧化丙烯的兩種反應(yīng)路徑［86］

金屬卟啉催化氧化芳烴α-C—H鍵可以生成芳醇。對(duì)于錳(Ⅴ)卟啉高價(jià)金屬氧化物氧化甲苯的反應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)錳(Ⅴ)卟啉高價(jià)金屬氧化物上氧原子的自由基特征是影響其活性的重要因素[88]。此外，錳(Ⅴ)卟啉高價(jià)金屬氧化物的軸向配體能夠影響其氧化甲苯反應(yīng)的活性，對(duì)于軸向配體為H2O、OH-、O2-的錳(Ⅴ)卟啉高價(jià)金屬氧化物，其氧化甲苯的反應(yīng)活性為H2O＞OH-＞O2-[89]。卟啉的立體結(jié)構(gòu)也能夠影響反應(yīng)的選擇性。研究手性鐵卟啉（圖14）催化氧化乙苯反應(yīng)的選擇性發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)生成的1-苯乙醇存在兩種對(duì)映異構(gòu)體：(R)-1-苯乙醇、(S)-1-苯乙醇。氫提取步驟的過渡態(tài)結(jié)構(gòu)中，乙苯與手性鐵卟啉之間的相互作用是控制立體選擇性的主要因素。由于生成(R)-1-苯乙醇的過渡態(tài)結(jié)構(gòu)中，乙苯的苯基和鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物的環(huán)外取代基萘基之間存在π-π堆積作用，所以生成(R)-1-苯乙醇的能壘更低，(R)-1-苯乙醇為反應(yīng)的主產(chǎn)物[90]。卟啉高價(jià)金屬氧化物氧化苯烴α-C—H鍵生成芳醇的同時(shí)，也能催化氧化苯環(huán)上的C—H鍵生成相應(yīng)的酚和酮[91]。鐵卟啉(Ⅳ)高價(jià)金屬氧化物氧化甲苯的反應(yīng)中，甲苯α-C—H鍵氧化生成苯甲醇的反應(yīng)能壘較低，為主要反應(yīng)。苯環(huán)上的C—H鍵被氧化生成的對(duì)甲基甲酚和對(duì)甲基環(huán)己酮為副產(chǎn)物。但鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物軸向巰基配體與蛋白質(zhì)環(huán)境之間的氫鍵相互作用會(huì)對(duì)反應(yīng)路徑產(chǎn)生影響，使甲苯α-C—H鍵羥基化過程反應(yīng)能壘增大，苯環(huán)上C—H 鍵氧化過程能壘減小[92]。此外，同位素效應(yīng)也會(huì)影響反應(yīng)過程。對(duì)于鐵(Ⅳ)卟啉高價(jià)金屬氧化物氧化乙苯的反應(yīng)，De Visser[93]利用非限制性密度泛函理論方法UB3LYP，對(duì)過渡金屬鐵采用LACVP基組，其他原子采用6-31G基組，計(jì)算發(fā)現(xiàn)當(dāng)乙苯上所有氫原子被氘原子取代后，苯環(huán)上C—H鍵因氧化反應(yīng)能壘降低而變得更具有競(jìng)爭(zhēng)性。

圖14 手性雙萘酚鐵卟啉的分子結(jié)構(gòu)［90］

5 結(jié)語(yǔ)

理論模擬計(jì)算在研究金屬卟啉仿生催化氧化烴類飽和C—H鍵領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并在研究金屬卟啉的結(jié)構(gòu)性質(zhì)及催化氧化機(jī)理等方面取得了重要的進(jìn)展，為金屬卟啉催化氧化烴類飽和C—H鍵的應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。在理論模擬方法方面，應(yīng)用更高精度的量子力學(xué)方法計(jì)算金屬卟啉的幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，以及充分發(fā)揮不同方法的優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，有機(jī)結(jié)合多種方法，用于金屬卟啉體系及其外圍環(huán)境的計(jì)算是今后理論模擬研究金屬卟啉仿生催化體系的發(fā)展趨勢(shì)。在研究?jī)?nèi)容方面，雖然金屬卟啉催化氧化烴類飽和C—H鍵的機(jī)理研究已取得重大進(jìn)展，但是由于各種機(jī)理的復(fù)雜性，機(jī)理的探究仍然是具有重要價(jià)值的研究課題。此外，金屬卟啉結(jié)構(gòu)的改變能夠影響金屬卟啉的催化活性及選擇性。其中金屬卟啉催化氧化反應(yīng)的選擇性與其結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系具有較大的研究空間。通過改變金屬卟啉結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)其催化氧化烴類底物的選擇性，能夠更加靈活地滿足制備各種化學(xué)品的需求，具有較大的工業(yè)價(jià)值。金屬卟啉催化領(lǐng)域的研究將更傾向于實(shí)驗(yàn)探究與理論模擬相結(jié)合的模式。理論模擬為實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)，并深入解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，同時(shí)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證理論模擬結(jié)果，二者相輔相成，緊密結(jié)合，共同推動(dòng)金屬卟啉仿生催化領(lǐng)域的發(fā)展。