金屬卟啉催化氧化烴類飽和C—H鍵的理論模擬研究進展

王浩，姬東方，于艷敏，佘遠斌

（1 北京工業大學化學化工系，綠色催化與分離北京市重點實驗室，北京100124；2 浙江工業大學化學工程學院，綠色化學合成技術國家重點實驗室培育基地，浙江杭州310014）

氧化反應是化學工業中的重要反應，通過氧化反應能夠制得超過30%的化工產品[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，其作為氧化領域的重要組成部分，在化學工業中發揮著重要的作用[3]。但烴類化合物的飽和C—H 鍵不活潑，氧化反應所需條件苛刻、產物復雜、選擇性差[4-5]。如何實現烴類飽和C—H鍵的選擇性氧化一直是化學工業生產中亟待解決的難題。隨著綠色化工的進一步推進，采用高活性、高選擇性的催化劑實現烴類飽和C—H鍵的選擇性氧化已經成為近年來研究的焦點[6-7]。金屬卟啉及金屬卟啉衍生物作為細胞色素P450 的核心結構，能夠模擬細胞色素P450 在溫和條件下活化氧化劑生成卟啉高價金屬氧化物[8]，并進一步高活性、高選擇性地氧化烴類飽和C—H 鍵，實現烴類飽和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鍵領域已經展現出十分優越的性能，并在工業上具有較好的應用前景。郭燦城教授課題組[13]對金屬卟啉仿生催化氧化環己烷制備環己酮的反應進行了研究。與傳統的環己烷液相氧化法相比，金屬卟啉催化氧化法制備環己酮以極少量的鐵卟啉作為仿生催化劑，以空氣為氧化劑，環己烷的轉化率由4%～5%提高到6.6%，環己酮的選擇性由80%左右提高到97.8%。目前金屬卟啉仿生催化氧化環己烷已成功實現了工業化生產，推動了金屬卟啉仿生催化氧化烴類飽和C—H鍵的反應由基礎研究向工業應用的邁進[14]。甲苯的催化氧化反應在化學工業中也是一類非常重要的反應。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種產物的選擇性可以通過改變金屬卟啉結構來加以調節，能夠滿足不同化學品工業生產的需要。以四苯基鈷卟啉為催化劑，空氣為氧化劑，甲苯的轉化率能達到9%左右，苯甲醇及苯甲醛的收率為60%[15]。當四苯基錳卟啉催化氧氣氧化甲苯時，甲苯的轉化率為6%左右，苯甲醇及苯甲醛的收率高達96%[16]。

圖1 細胞色素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勢，近年來，國內外學者對金屬卟啉仿生催化劑催化氧化烴類飽和C—H 鍵的反應進行了大量研究[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驗的方法和理論模擬的方法。采用實驗方法研究金屬卟啉催化烴類飽和C—H鍵存在成本較高、對復雜機理難以深入探究等問題。隨著計算機運算能力的發展，利用理論模擬方法研究金屬卟啉催化氧化烴類飽和C—H鍵反應的實用性進一步增強。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構特性，可以探究金屬卟啉結構性質與催化活性和選擇性之間的關系，得到影響金屬卟啉催化活性和選擇性的關鍵因素，為實驗上合成高活性高選擇性的金屬卟啉催化劑提供理論指導。利用理論模擬方法探究金屬卟啉催化氧化烴類飽和C—H鍵的反應機理，可以尋找反應過程的最優路徑，更深入地分析和闡明金屬卟啉催化氧化烴類飽和C—H鍵的實驗現象和實驗結果，并避免實驗的盲目性造成人力和原料的浪費。本文對近年來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行綜述，并對金屬卟啉在仿生催化領域的理論模擬前景進行展望。

1 理論模擬方法

隨著計算機硬件及軟件的快速發展，理論模擬計算在化學化工領域的應用日益成熟。理論模擬研究金屬卟啉催化氧化烴類飽和C—H鍵反應可以采用的理論模擬方法有量子力學（QM）方法、分子力學（MM）方法和量子力學/分子力學（QM/MM）結合方法等。常用的量子力學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]、半經驗（semiempirical）方法[21]等。不同理論模擬方法的特點及適用范圍見表1。

量子力學方法借助波函數描述粒子的運動狀態，并以薛定諤方程描述波函數的變化規律，用算符或矩陣方法對各種物理量進行計算。對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、電子結構、反應能量的變化都可以采用量子力學方法進行計算。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值方法，對分子內電子的動能和勢能進行計算得到薛定諤方程的近似解——分子波函數。密度泛函理論方法計算精度可通過改變泛函及基組進行調節，操作簡便且應用靈活，計算模擬過程中效率較高、誤差小、實用性強，目前在金屬卟啉體系的計算中頗受關注[22-23]。密度泛函理論方法涉及眾多泛函，其中雜化-交換相關泛函B3LYP[24-25]和范圍分離泛函ωB97X-D[26]對于卟啉體系計算準確度高，受到眾多學者推崇[27-28]。從頭算方法不借助任何經驗參數，全部嚴格計算分子積分以求解全電子體系的薛定諤方程。從頭算方法計算工作量大，計算代價較高，更適用于小分子結構性質及能量變化的計算。在金屬卟啉大環體系的計算中，從頭算方法不如密度泛函理論方法計算效率高。半經驗方法在計算過程中或忽略一些積分，或在一些積分值上使用經驗參數近似求解自洽場分子軌道方程，對計算過程進行了簡化，提高了計算效率。但是由于半經驗方法計算時引用了近似來簡化工作量，對能量計算遠不及密度泛函理論方法精確、可靠。目前，半經驗方法常用于較大體系結構的初步優化，為進一步高精度計算提供初始結構。當對多系列體系進行計算，比較計算結果，尋求結構與性能的遞交規律時，采用半經驗方法快速計算也具有重要價值。

分子力學方法運用經典力學模擬分子體系，通過改變分子的幾何構型，尋找體系能量最低的結構，在計算分子體系能量與結構方面應用廣泛，能夠對體系進行構象分析，研究結構與性能之間的關系等。分子力學方法忽略電子的運動，在原子水平上研究體系的結構，適用于研究原子數成千甚至百萬的大型體系，計算效率高。但由于分子力學計算過程中需要借助相應的力場參數，導致分子力學方法的使用存在局限性。力場參數不適合或缺少相應的力場參數都會使體系結構和能量的計算不夠精確。分子力學方法在金屬卟啉體系中可用于結構的構象搜索。

量子力學/分子力學結合方法使用量子力學方法計算體系中重要的、涉及化學鍵變化的部分，同時利用分子力學方法來計算體系中次要部分的結構和能量。量子力學/分子力學結合方法既包含了量子力學方法的精確性，又利用了分子力學方法的高效性，結合二者的優點，能夠快速精確計算體系的相關性質。量子力學/分子力學結合方法在酶活性位點反應、液體或大分子環境中的化學反應機理研究方面應用廣泛。在金屬卟啉體系的計算研究中，量子力學/分子力學結合方法多用于研究蛋白質環境中金屬卟啉參與的催化氧化反應。利用量子力學方法中的密度泛函理論方法計算金屬卟啉催化氧化過程的結構性質及能量變化，利用分子力學方法模擬體系的蛋白質環境，以探究蛋白質環境對催化氧化反應的影響。

表1 不同理論模擬方法的特點及適用范圍

2 金屬卟啉幾何及電子性質的理論計算

卟啉是由4個吡咯環的α-碳原子通過4個次甲基橋互聯而形成的共軛大環化合物，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離子配位，金屬陽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，卟啉環中位和β位碳原子上的氫原子均可被其他基團（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)]。金屬卟啉結構的變化可以影響其幾何性質和電子性質，并進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，優化金屬卟啉幾何結構，通過對鍵長、鍵角等幾何性質，電子密度、前線分子軌道等電子性質的分析，深入挖掘金屬卟啉的結構特性，闡明其對催化氧化烴類飽和C—H鍵的影響。

圖2 卟吩及卟啉結構

金屬卟啉環外取代基對改變金屬卟啉的幾何和電子性質起到了重要作用。環外取代基的位置和種類均能影響金屬卟啉的幾何性質和電子性質。She等[29]利用密度泛函理論方法B3LYP和基組6-31G(d)計算了帶有不同環外取代基（—H、—Cl、—NO2、—OH、—OCH3）的四苯基鐵卟啉的幾何性質。當四苯基鐵卟啉中位苯基帶有對位取代基時，環外苯基環與卟啉環之間的二面角為64°～69°。當四苯基鐵卟啉中位苯基帶有鄰位取代基時，由于苯基鄰位取代基與卟啉環之間存在較大的電子排斥與空間位阻作用，使四苯基鐵卟啉環外苯基環幾乎垂直于卟啉環。Mobin 等[30]利用密度泛函理論方法B3LYP 和基組6-31G(d)對帶有3 種不同環外取代基（苯基、噻吩基、呋喃基）的鎂卟啉（圖3）結構進行優化，結果發現當環外取代基為苯基和噻吩基時，取代基環平面垂直于鎂卟啉環平面。而環外取代基為呋喃基時，呋喃環與鎂卟啉環在同一平面上，表明呋喃基和鎂卟啉環之間存在更強的共軛相互作用。對于帶有不同環外取代基的四苯基鈷卟啉，當鈷卟啉環外苯基上無取代基或者對位帶有一個氯取代基時，鈷卟啉為平面大環結構。當鈷卟啉環外苯基鄰位帶有兩個氯取代基時，鈷卟啉有輕微的扭曲，表現為部分共軛作用。當鈷卟啉環外苯基與卟啉環β位的氫原子全部被氯取代時，鈷卟啉環彎曲為馬鞍型結構。鈷卟啉獨特的幾何性質也反映在Co—N鍵的平均長度上。馬鞍型鈷卟啉的Co—N鍵鍵長約為1.93?（1?=0.1nm），其他構型的鈷卟啉Co—N 鍵鍵長均約為1.98?[31]。

圖3 取代鎂卟啉的分子結構［30］

除幾何性質外，環外取代基對金屬卟啉的電子性質也有一定的影響。對不同取代鐵卟啉的前線分子軌道進行計算發現[29]，四苯基鐵卟啉環外帶有吸電子取代基（—Cl、—NO2）時可以同時降低其最高占據軌道（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)卟啉高價金屬氧化物氧化甲烷的過程，在結構優化時對Fe、O原子、軸向配體上的O、H原子及卟啉環上的N原子采用def2-TZVP 基組，其他原子則采用def2-SV(P)基組，在單點能計算時所有原子均采用def2-TZVP基組。結果發現鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物環外中位吡啶取代基上的正電荷和卟啉環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能壘，提高鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物的反應活性。Wang等[33]利用密度泛函理論方法B3LYP 和基組LANL2DZ 深入研究了卟啉環外中位供電子取代基和卟啉環外β位側鏈對卟啉和鋅卟啉（圖4）電子性質的影響。借助密度泛函理論計算前線分子軌道能量發現，卟啉環外中位的供電子取代基能夠提高卟啉HOMO 的能量。卟啉環外β位側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構［33］

除卟啉環外取代基外，卟啉中心金屬離子對金屬卟啉幾何及電子性質的影響也較為顯著。卟啉中心金屬離子直接與卟啉大環相互作用。金屬離子不同會對金屬離子與卟啉環之間的相互作用產生影響，從而改變金屬卟啉的幾何性質和電子性質。通過對金屬卟啉前線分子軌道的計算，發現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己烷的反應中，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。在金屬卟啉絡合氧氣生成卟啉高價金屬氧化物后，鈷卟啉高價金屬氧化物的前線分子軌道能隙最低，且鈷卟啉高價金屬氧化物的LUMO與環己烷的HOMO 能量接近，有利于電子由環己烷轉移至鈷卟啉高價金屬氧化物，鈷卟啉高價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 計算了中心金屬離子價態不同的鐵卟啉結構（圖5）。計算過程中對過渡金屬鐵采用LANL2DZ 贗勢基組，其他原子則采用6-31G(d, p)基組。當中心鐵離子為正二價時，兩個1-甲基咪唑軸向配體咪唑環平面之間的二面角為80.7°，接近相互垂直。當中心鐵離子為正三價時，卟啉的結構發生改變，兩個1-甲基咪唑軸向配體咪唑環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構［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。She等[29]利用密度泛函理論方法B3LYP和6-31G(d)基組計算了氯軸向配體對四苯基鐵卟啉幾何性質的影響。氯軸向配體可以增長四苯基鐵卟啉中鐵離子與吡咯氮原子之間Fe—N鍵的鍵長，同時使鐵離子由卟啉環外向卟啉環中心移動。對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)卟啉高價金屬氧化物的幾何性質進行計算發現，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，從而改變Mn—O 鍵鍵長，使其隨著Mn—N（軸向配體）鍵鍵長減小而增加。其中由于咪唑比吡啶供電子能力更強，咪唑軸向配體與中心錳離子相互作用更強，Mn—N（軸向配體）鍵鍵長較小。三乙胺與卟啉間存在較強的空間位阻作用，導致Mn—N（軸向配體）鍵鍵長最大[37]。Das等[38]利用密度泛函理論方法B3LYP 及BP86，對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，優化軸向配體為巰基的鐵卟啉結構，單點能計算時所有原子采用6-311+G(d)基組計算。研究發現巰基能夠與中心鐵離子生成較強的共價鍵，導致鐵離子3d 軌道能量增加，減弱鐵離子與卟啉環的相互作用，提高Fe—N鍵的鍵長。

3 金屬卟啉活化氧氣

金屬卟啉催化氧化烴類飽和C—H 鍵的反應中，第一個關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。其中由于氧氣價格低廉，環境友好，成為金屬卟啉催化氧化反應中氧化劑的最佳選擇。金屬卟啉活化氧氣生成卟啉高價金屬氧化物，對于金屬卟啉催化氧化烴類飽和C—H鍵的反應具有重要意義[44]。

在眾多金屬卟啉中，目前研究較多的是鐵卟啉對分子氧的活化。Ali 等[45]利用密度泛函理論方法模擬計算了軸向配體為咪唑的鐵卟啉與分子氧的反應。模擬計算采用密度泛函理論方法B3LYP，在結構優化時對過渡金屬鐵采用LANL2DZ贗勢基組，其他原子C、H、O、N 則采用6-311G(d,p)基組，在單點能計算時所有原子均采用6-311G(d,p)基組。通過計算研究自旋S=0、1、2、3 時鐵卟啉雙氧加和物的幾何結構及能量，發現鐵卟啉雙氧加和物自旋S=0，即單重態時最穩定。對于鐵卟啉與分子氧之間的反應過程研究發現，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平面的距離減小。鐵卟啉與分子氧反應的過程中，隨著鐵卟啉與分子氧逐漸接近，Fe—O距離越來越小。當Fe—O 距離為1.78? 時，鐵離子與卟啉環幾乎在同一平面內，鐵卟啉與分子氧絡合生成穩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鍵結構。Pierloot 等[46]利用密度泛函理論方法BP86，對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型。對過渡金屬鐵、錳采用ECP-10-MDF贗勢基組，其他原子C、H、O、N采用6-31G(d)基組。通過計算不同結合模式的基態結構，即自旋S=0 的單重態鐵卟啉雙氧加和物及自旋S=3/2 的四重態錳卟啉雙氧加和物發現，鐵卟啉雙氧加和物存在兩種end-on構型，見圖6(a)和(b)。構型(a)為O—O鍵在卟啉環上的投影與卟啉環上的Fe—N 鍵成45°角。構型(b)為O—O鍵在卟啉環上的投影與卟啉環上的Fe—N 鍵重合。這兩種構型能量相差約2kcal/mol（1kcal=4.18kJ），構型(a)能量更低，結構更穩定。錳卟啉雙氧加和物的結構為side-on構型，見圖6(c)和(d)。構型(c)為O—O 鍵在卟啉環上的投影與卟啉環上的Fe—N鍵成45°角，構型(d)為O—O鍵在卟啉環上的投影與卟啉環上的Fe—N 鍵重合，構型(d)為穩定構型。對比計算兩種金屬卟啉與分子氧反應的結合焓發現，分子氧與錳卟啉的相互作用比與鐵卟啉的相互作用強。

圖6 鐵卟啉和錳卟啉雙氧加和物的幾何構型［46］

相比于鐵卟啉與分子氧反應所形成雙氧加和物的幾何結構，鐵卟啉雙氧加和物的電子結構至今仍存在爭議。早在1936 年，Pauling 等[47]通過磁性測量發現鐵卟啉雙氧加和物的Fe—O鍵是自旋S=0的單重態鐵離子與自旋S=0的單重態分子氧之間的相互作用。1960 年，McClure[48]通過光學吸收光譜、電子自旋共振等實驗方法研究提出另一種電子構型，認為Fe—O鍵是自旋S=1的三重態鐵離子與自旋S=1 的三重態分子氧之間的相互作用。之后Goddard等[49]利用從頭算方法對Mcclure提出的觀點進行了進一步印證。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據等提出第三種電子構型，即鐵離子與分子氧成鍵部分為自旋S=1/2 的二重態鐵離子與自旋S=1/2 的二重態O2-之間反鐵磁耦合。后人在此三種電子構型（圖7）的基礎上進行了大量研究[27,51-53]。2008 年，Shaik 等[27]利用量子力學/分子力學結合方法對鐵卟啉與分子氧的鍵合性質進行研究，發現鐵卟啉與分子氧的鍵合性質受外界因素的影響，在反應過程中蛋白質環境或軸向配體的微小變化都會影響其電子構型。

圖7 鐵卟啉雙氧加和物的電子構型［53］

除鐵卟啉之外，其他金屬卟啉活化分子氧的研究近年來也有很大進展。Witko 等[54]對不同金屬（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 進行了計算。結果顯示錳卟啉和鉬卟啉雙氧加和物為side-on 構型[圖8(a)]，其與一個氫原子反應生成氫過氧化物[圖8(c)]，繼而與第二個氫原子反應并脫水最終生成卟啉高價金屬氧化物[圖8(d)]。鈷卟啉雙氧加和物為end-on 構型[圖8(b)]，與兩個氫原子反應后，不易脫去水分子，所以不會生成最終的卟啉高價金屬氧化物。Witko 等[55]又采用密度泛函理論方法LDA-VWN 及GGA-RPBE，基組DZVP 對錳卟啉活化分子氧的熱力學性質進行計算。分子氧與錳卟啉反應為吸熱過程，分子氧與還原的錳卟啉反應為放熱過程。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)卟啉高價金屬氧化物。對于四苯基鈷卟啉與分子氧的反應，研究發現四苯基鈷卟啉與分子氧結合后，四苯基鈷卟啉結構發生了明顯變化。四苯基鈷卟啉原為平面環狀結構，中位苯基環垂直于卟啉環平面。與分子氧結合后，四苯基鈷卟啉平面結構輕微彎曲為馬鞍形結構，環外苯基環旋轉與四苯基鈷卟啉平面形成74.5°二面角。立體旋轉促進電子由環外苯基向鈷卟啉大環轉移，進而轉移至分子氧，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型［54］

金屬卟啉活化分子氧的反應受金屬卟啉幾何性質的影響。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，形成一個空腔，促進鐵卟啉與分子氧結合。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活性越強。生成鐵卟啉雙氧加和物后，分子氧上的負電荷越多，其活性越強，促進其參與后續的催化氧化反應[57]。Boyd等[58]借助密度泛函理論方法ωB97X-D，對過渡金屬鐵采用6-311+G(f)基組，對N、S、O 原子采用6-311+G(d)基組，對C、H 原子采用6-31G 基組，計算研究軸向配體對鐵卟啉活化分子氧的影響。研究發現，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的相互作用也是保障鐵卟啉與分子氧具有較強親和力的必要因素。在帶有不同環外取代基的四苯基金屬卟啉活化分子氧過程中，當四苯基金屬卟啉環外中位苯基對位為吸電子取代基時，四苯基金屬卟啉環上的負電荷減少。吸電子取代基越強，越容易降低卟啉環上的負電荷密度，增強分子氧與中心金屬離子的結合能力，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外取代基之外，金屬卟啉大環結構的差異也會影響其與分子氧的反應。幾種卟啉大環彎曲程度不同的四苯基鈷卟啉與分子氧反應，卟啉大環彎曲程度較大的馬鞍形結構鈷卟啉在與分子氧結合過程中存在空間位阻，不利于分子氧的活化，當鈷卟啉大環為平面時，活化分子氧的能力最強[31]。

4 卟啉高價金屬氧化物氧化烴類飽和C—H鍵

卟啉高價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]。卟啉高價金屬氧化物氧化烴類飽和C—H鍵的反應機理，一直是仿生催化領域研究的熱點。對反應機理的深入剖析有助于探究其催化劑本質，從而為進一步設計新型高效的金屬卟啉催化劑提供方向。目前，在卟啉高價金屬氧化物氧化烴類飽和C—H鍵的反應中，采用理論模擬方法研究較多的是鐵卟啉和錳卟啉的高價金屬氧化物對烴類飽和C—H鍵的氧化。

圖9 鐵卟啉催化氧化烴類飽和C—H鍵的反彈機理［63-64］

Groves 等[60-63]提出的反彈機理目前廣泛應用于鐵卟啉催化氧化烴類飽和C—H鍵的反應中。反彈機理涉及兩個關鍵步驟，首先鐵(Ⅳ)卟啉高價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物，見圖9[63-64]。其中卟啉高價金屬氧化物從烷烴飽和C—H 鍵提取氫原子的過程為反應的速控步驟。基于反彈機理，Shaik等[65-67]利用密度泛函理論方法B3LYP，對過渡金屬鐵采用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，并在此基礎上提出了兩態反應機理。兩態反應機理中，鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物作為氧化的活性中心，自旋S=1/2 時為低自旋（low spin，LS）二重態，自旋S=3/2 時為高自旋（high spin，HS）四重態。兩種自旋態的反應路徑都是鐵(Ⅳ)卟啉高價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。當鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物為四重態時，羥基反彈步驟存在一個較小的能壘，為分步反應。當鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物為二重態時，羥基直接反彈至烷基自由基生成羥基化產物，為協同反應。整個反應過程中兩種自旋態能量相差較小，二者共同作用使烷烴羥基化反應得以進行，見圖10。對不同自旋態下鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物奪氫過程的過渡態結構進行分析發現，當鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物為二重態及四重態時，過渡態結構中Fe—O—H 夾角約為120°[圖11(a)]。當鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物為能量更高的六重態時，過渡態結構中Fe—O—H夾角約為180°[圖11(b)][68]。基于兩態反應機理，國內外學者對鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物氧化烷烴飽和C—H鍵的反應進行了諸多研究[69-74]。Wu等[73]利用密度泛函理論方法B3LYP和基組6-31G對鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物氧化甲烷的過程進行模擬發現，在甲烷與鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物不斷接近的初期，甲烷C—H 鍵鍵長基本不變，甲烷與鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物之間的相互作用是能量變化的決定因素。當兩者接近至C—O 距離為2.59～2.60? 時，C—O 距離保持不變，氫原子不斷向氧原子移動，C—H 鍵鍵長增長，直至生成過渡態結構，此時鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物的電子結構及甲烷C—H鍵的解離能是能量變化的決定因素。研究軸向配體對鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物氧化環己烷飽和C—H鍵的影響發現，供電子軸向配體能夠加強FeO—H鍵，削弱Fe＝O 鍵，從而提高鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物提取環己烷氫原子及羥基反彈的反應活性[74]。

圖10 鐵卟啉催化氧化烷烴羥基化反應的兩態反應機理［67］

圖11 不同自旋態的鐵（Ⅳ）卟啉高價金屬氧化物氧化烷烴C—H鍵的過渡態結構［68］

鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物氧化烷烴C—H 鍵的反應能壘主要受烷烴C—H鍵解離能的影響，烷烴C—H 鍵解離能越大，反應能壘越高[75]，但外圍環境的影響也可能改變反應能壘的大小。Wang等[76]借助密度泛函理論方法B3LYP 計算鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物連續兩次羥基化異戊烷的反應。結構優化時對過渡金屬鐵采用LACVP 基組，其他原子采用6-31G 基組，即LACVP/6-31G，計算單點能時采用更高精度基組LACVP+(d,p)/6-311+G(d,p)。兩次羥基化反應都遵循兩態反應機理。第二次羥基化過程中，由于底物上羥基與鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物的氧原子之間存在氫鍵作用，反應能壘比第一次羥基化反應能壘高2kcal/mol。鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物氧化莰酮飽和C—H 鍵過程中，當鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物活性位點存在水分子時，水分子與鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物軸向氧原子之間存在氫鍵作用，由于過渡態結構中電荷由莰酮轉移至氧原子，增加了氧原子的負電荷，致使過渡態結構的氫鍵作用更強，降低了氫提取步能壘[77]。對于反應環境的影響，可以采用量子力學/分子力學結合方法計算。量子力學/分子力學結合方法可以用分子力學方法計算環境中的物質與鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物之間的相互作用，用量子力學方法計算鐵卟啉對烴類分子的催化氧化[78-81]。Shaik等[79]利用量子力學/分子力學結合計算方法對鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物氧化小分子烷烴（甲烷、乙烷、丙烷）的反應過程進行研究發現，小分子烷烴容易逃離鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物的活性位點，全氟癸酸的存在可以使小分子烷烴固定在活性位點附近，從而提高鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物對小分子烷烴的氧化。蛋白質環境與鐵(Ⅳ)卟啉高價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），對鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物的反應活性也有一定影響[80]。Lu等[81]借助量子力學/分子力學結合方法計算了Thr303 殘基對核心結構為鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物的細胞色素P450氧化乙醇的影響。當不存在Thr303 殘基時，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，兩種反應路徑相互競爭。當反應環境中加入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型固定于活性位點附近，促使P450提取乙醇羥基上的氫原子，導致P450活化氧化乙醇飽和C—H的能力降低。

除鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物外，錳(Ⅴ)卟啉高價金屬氧化物氧化烷烴C—H鍵同樣遵循反彈機理。對于軸向配體為咪唑、吡啶、2,6-二甲基吡啶的四苯基錳(Ⅴ)卟啉高價金屬氧化物和五氟苯基錳(Ⅴ)卟啉高價金屬氧化物，Rezaeifard 等[82]借助密度泛函理論方法B3LYP 計算其氧化環己烷過程中氫提取步過渡態的結構及能量。計算過程中對過渡金屬錳采用LANL2DZ 贗勢基組，其他原子采用6-31G(d)基組。由于配體的供電子能力不同，導致帶有不同軸向配體的四苯基錳(Ⅴ)卟啉高價金屬氧化物的氧化能力大小順序為咪唑＞吡啶＞2,6-二甲基吡啶。但對于五氟苯基錳(Ⅴ)卟啉高價金屬氧化物，由于吡啶環上的氫原子、2,6-二甲基吡啶中甲基上的氫原子與卟啉環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，導致帶有不同軸向配體的五氟苯基錳(Ⅴ)卟啉高價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的羥基反彈步勢能曲線（圖12）發現，當軸向配體為F-、OH-、O2-時，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的反彈勢能曲線［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/分子力學結合方法計算了P450氧化丙烯、環己烯飽和C—H鍵的選擇性，發現P450對特定活性位點的相對反應活性是影響反應選擇性的關鍵因素。由于烯烴結構中存在飽和C—H鍵和C＝C鍵兩種可氧化位點。在金屬卟啉催化氧化烯烴的反應中，金屬卟啉可以選擇性催化氧化飽和C—H鍵發生羥基化反應生成相應的醇，也可以選擇性催化氧化較為活潑的C＝C 鍵生成環氧化物[85]。Sharma等[86]借助密度泛函理論方法B3LYP，對過渡金屬鐵采用LACVP 基組，其他原子采用6-31G 基組，計算探究了鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物催化氧化丙烯體系中羥基化和環氧化這兩個競爭反應的機理（圖13）。丙烯可以通過烯丙位氫原子或不飽和碳原子與鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物發生反應。丙烯烯丙位氫原子與鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物反應時，遵循反彈機理，發生羥基化反應。丙烯不飽和碳原子與鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物反應，Fe—O鍵斷裂，C—O鍵生成，最終環閉合生成環氧化物。兩個競爭反應的存在導致烯烴的催化氧化產物選擇性差，產物復雜。Gupta 等[87]運用密度泛函理論方法B3LYP計算鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物氧化環己烯的反應。結構優化時對過渡金屬鐵采用LACVP基組，其他原子采用6-31G 基組，即LACVP/6-31G。計算單點能時采用更高精度基組LACV3P/6-311+G(d)。結果發現環己烯C＝C 環氧化過程能壘較低，為主要反應。但是由于環己烯羥基化過程的能壘僅比環氧化過程高3.2kcal/mol，使通過改變外部條件來轉換反應路徑，提高反應對羥基化產物的選擇性成為可能。當環己烯上的氫原子被氘原子取代后，由于存在隧穿效應，當溫度降低時，C—H羥基化過程成為優選路徑。

圖13 鐵（Ⅳ）卟啉高價金屬氧化物氧化丙烯的兩種反應路徑［86］

金屬卟啉催化氧化芳烴α-C—H鍵可以生成芳醇。對于錳(Ⅴ)卟啉高價金屬氧化物氧化甲苯的反應，研究發現錳(Ⅴ)卟啉高價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)卟啉高價金屬氧化物的軸向配體能夠影響其氧化甲苯反應的活性，對于軸向配體為H2O、OH-、O2-的錳(Ⅴ)卟啉高價金屬氧化物，其氧化甲苯的反應活性為H2O＞OH-＞O2-[89]。卟啉的立體結構也能夠影響反應的選擇性。研究手性鐵卟啉（圖14）催化氧化乙苯反應的選擇性發現，反應生成的1-苯乙醇存在兩種對映異構體：(R)-1-苯乙醇、(S)-1-苯乙醇。氫提取步驟的過渡態結構中，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-苯乙醇的過渡態結構中，乙苯的苯基和鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物的環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-苯乙醇為反應的主產物[90]。卟啉高價金屬氧化物氧化苯烴α-C—H鍵生成芳醇的同時，也能催化氧化苯環上的C—H鍵生成相應的酚和酮[91]。鐵卟啉(Ⅳ)高價金屬氧化物氧化甲苯的反應中，甲苯α-C—H鍵氧化生成苯甲醇的反應能壘較低，為主要反應。苯環上的C—H鍵被氧化生成的對甲基甲酚和對甲基環己酮為副產物。但鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物軸向巰基配體與蛋白質環境之間的氫鍵相互作用會對反應路徑產生影響，使甲苯α-C—H鍵羥基化過程反應能壘增大，苯環上C—H 鍵氧化過程能壘減小[92]。此外，同位素效應也會影響反應過程。對于鐵(Ⅳ)卟啉高價金屬氧化物氧化乙苯的反應，De Visser[93]利用非限制性密度泛函理論方法UB3LYP，對過渡金屬鐵采用LACVP基組，其他原子采用6-31G基組，計算發現當乙苯上所有氫原子被氘原子取代后，苯環上C—H鍵因氧化反應能壘降低而變得更具有競爭性。

圖14 手性雙萘酚鐵卟啉的分子結構［90］

5 結語

理論模擬計算在研究金屬卟啉仿生催化氧化烴類飽和C—H鍵領域得到了廣泛應用，并在研究金屬卟啉的結構性質及催化氧化機理等方面取得了重要的進展，為金屬卟啉催化氧化烴類飽和C—H鍵的應用提供了理論指導。在理論模擬方法方面，應用更高精度的量子力學方法計算金屬卟啉的幾何結構和電子結構，以及充分發揮不同方法的優勢，揚長避短，有機結合多種方法，用于金屬卟啉體系及其外圍環境的計算是今后理論模擬研究金屬卟啉仿生催化體系的發展趨勢。在研究內容方面，雖然金屬卟啉催化氧化烴類飽和C—H鍵的機理研究已取得重大進展，但是由于各種機理的復雜性，機理的探究仍然是具有重要價值的研究課題。此外，金屬卟啉結構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的選擇性與其結構之間的關系具有較大的研究空間。通過改變金屬卟啉結構來調節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品的需求，具有較大的工業價值。金屬卟啉催化領域的研究將更傾向于實驗探究與理論模擬相結合的模式。理論模擬為實驗提供指導，并深入解釋實驗現象，同時實驗進一步驗證理論模擬結果，二者相輔相成，緊密結合，共同推動金屬卟啉仿生催化領域的發展。