2. 螯合作用和Irving-Williams序列
EDTA是一个常见螯合剂，可用于医药上螯合活 体中存在的过量毒性金属，也可以用作食品添加剂， 螯合必须元素，限制细菌对它的利用，从而防治食 物腐败。 生物体中存在的卟啉、咕啉是螯合配体的例子， 能螯合不同氧化态的多种金属离子，这些螯合单元 提供了在生物中广泛存在、能被利用的生物无机功 能基团，细胞色素（Fe）、叶绿素（Mg）和维生素 B12（Co）就是其中的几例。
2. 取代反应
金属离子配位层中的一个配体被另一个配体所取 代，可以有缔合或解离2种途径。配位数低的金属 离子倾向于进行缔合机制的配体取代反应，配位 数高的则采取解离的途径。发生在蛋白质或核酸 键合的金属中心的取代反应则复杂的多，其原因 是进入的配体与金属中心附近的基团的相互作用， 以及这些反应的偶合改变了大分子的构象。
4. 氧化还原电位的调节
改变金属中心的配位原子和立体化学，能使电子 转移反应的电位发生很大变化。
配合物 E1/2/V
Cu(O-sal)2en
Cu(Me-sal)2 Cu(Et-sal)2 Cu(S-sal)2en Cu(i-Pr-sal)2
-1.21
-0.90 -0.86 -0.83 -0.73
在 Cu(O-sal)2en 中 引 入 大 的 R 基团，配合物几何构型由平 面四方向四面体畸变，从而 使电位提高； Cu(S-sal)2en 中 的S时软配体，易和Cu(I)结合， 从 而 也 提 高 了 Cu(I)/Cu(II) 的 还原电位。
5. 生物高分子的作用
在生物环境中，金属中心的热力学稳定性，不仅由 金属内在的对某一氧化态的倾向性、配体组合和配 位几何构型所决定，而且也由生物高分子通过它们 的三维结构、控制立体化学及提供配体的能力所决 定。非配体的残基对某些影响因素也有贡献：局部 的亲水性或曾水性、配位部位的空间位阻、能与金 属配位层中成键或非键原子相互作用以提高或降低 稳定性的氢键基团等。真正想了解金属在生物体中 的功能如何，必须对金属和核酸及蛋白质键合时的 种种因素加以阐明。
配位水脱质子生成羟基配体，是几种金属酶催化 水解机理中所假定的一个步骤。两个或几个金属 离子与一个质子配体的配位，甚至会使 pKa 值惊 人地降低。
Fe3+ + H2O 2Fe3+ + 2H2O Fe(OH)2+ + H2O Fe(OH)2+ + H2O Fe(OH)3 + H2O Fe(OH)2+ + H+ pKa=2.2
3. 配体的pKa值
生物体中大部分金属离子的正电荷，对结合于配 位层的质子配体的酸性阴离子（共轭碱）起稳定 作用。 + H + [M-OH] H2O + M2+ +
+H
M2+ 无 Ca2+ Mn2+ Cu2+ Zn2+
-logK(25oC,0.1mol/L) 14.0 13.4 11.1 10.7 10.0
Cu(t-Bu-sal)
-0.66
配体的类型和立体化学对Cu(I)/Cu(II)电位的影响， 在某些含铜的蛋白质中也表现出同样的影响。在 这里，高氧还电位的获得，是蛋白质用2个组氨酸 的咪唑基和一个半胱氨酸的巯基侧链为配体，通 过配位几何构型向平面三角形畸变来实现的。有 时，尽管残基对金属不一定是配位关系，但是电 位还会受金属离子周围残基具有的局部介电常数 影响，这一现象和简单配合物中溶剂对氧化还原 电位的影响类似。
1.软硬酸碱概念
软：体积大且易被极化
硬：体积小且不易被极化
硬酸亲硬碱，软酸亲软碱 如： Ca2＋ 易和羧基上氧原子结合， ， Fe3＋ 易和 羧酸根或酚基氧配位，Cu2＋易和组氨酸的氮配位。
金属硫蛋白是一种富含半胱氨酸的低分子量蛋 白质，分子量6000～10000，它的一个生物功能 是保护细胞，在这类小分子蛋白中，几乎 30 ～ 35 ％的氨基酸是半胱氨酸残基，其巯基最容易 结合软金属离子，如 Cd2+,Hg2+,Pb2+,Tl+ ， 以防 止等金属离子的毒害作用。
自然界中最有效的螯合剂可能是能折叠的蛋白质链， 它能给金属中心提供所需立体化学环境各种取向的 氨基酸残基配体。如，牛红血球超氧化酶歧化酶 (Cu2Zn2SOD) 中的锌结合部位，当透析脱金属后， 这一结合部位还是特定的。Cu(II)占据Zn(II)位置， 生成 Cu2Cu2SOD ，但过量的Zn （ II ）还可以反过来 取代 Cu(II) ，这说明，锌在这一部位有重要的功能， 这一特定部位能以某种方式，确保必需金属离子的 特殊作用。
2.5 模型配合物和自组装概念
模型配合物：复制模型、推测模型 1978年，IUPAC在日本召开的仿生化学会议上，J.M.Lehn 教 授 首 次 系 统 地 提 出 了 超 分 子 化 学 (supramolecular chemistry)的概念。根据Lehn的定义，超分子化学是研究 两种以上的化学物种通过分子之间相互作用缔结形成复 杂有序且具有特定功能的超分子体系的科学。其中关于 分子识别的理论是超分子功能的基础。随后，科学家们 在超分子化学的基础上，于 80 年代后期提出了自组装的 概念。分子自组装(molecular selfassembly) 是指分子与分 子在平衡条件下，通过分子间非共价键力的作用自发地 结合成稳定的分子聚集体的过程。
2.2 动力学要点
1. 配体交换速率
2. 取代反应
3. 电子转移反应
1. 配体交换速率
第一过渡系除了 Cr3+ 、 Co3+ ，其他金属离子的水交 换速率都非常快。一般低电荷金属离子比高电荷金属 离子与配体交换速率快，第二、第三过渡系金属配合 物与第一过渡系同族对应配合物相比，动力学惰性要 大的多。如，当顺铂[Pt(NH3)2Cl2]通过失去配体Cl和 DNA 结合后，即使长时间透析这一含铂的生物高 分子，铂也不能被交换出来。
当和螯合配体结合时，第一过渡系金属离子的配体交 换速率明显减小。如，金属卟啉在动力学上相当惰性， 但其轴向配体则能进行通常的快速配体交换。
很多金属卟啉中包含键合很强的金属离子，即使 长时间进行对抗强螯合配体的透析，其中的金属 离子也不能和游离金属离子交换。由于蛋白质的 空间屏蔽作用，通常导致溶剂无法金属离子配位 层，形成了这些蛋白质核心的动力学惰性，如果 蛋白质由于加热或添加某一溶剂（如 DMSO ） 使其变性，则金属常能释放出来。
外界电子转移反应机理中，两个氧化还原对相互接 近，并和它们所缔合的溶剂分子形成所谓的“前驱 配合物”，这样，电子转移反应并没有伴随氧化剂 和还原剂配位层之间的配体交换。 我们至今还不知道涉及一对金属蛋白间的内界电子 转移反应。虽然这样的内界机理不能完全排除，但 要形成必需的桥联配体过渡态，蛋白质的空间位阻 是很难克服的。金属蛋白分子间或分子内存在金属 中心，而金属中心之间的电子转移反应是目前极受 关注的课题。长程电子转移反应能以相当大的速率 （>10 s-1），在高达3nm的距离内发生。
第2章 与生物无机研究有关的配位化学原理
热力学要点 动力学要点 生物体中金属离子的电子结构和几何结构 配合物中配体的反应性 模型配合物和自组装概念
2.1 热力学要点 1. 软硬酸碱概念 2. 螯合作用和Irving-Williams序列 3. 配体的pKa值 4. 氧化还原电位的调节 5. 生物高分子的作用
EDTA
S CHCH3 H3C
N N
血红素c
CH3 CH CH3
N
S
Fe H3C
N
CH3 CH2 CH2 COOH
CH2 CH2 COOH
维生素B12
Irving-Williams序列
Ca2＋<Mg2＋<Mn2＋<Fe2＋<Co2＋<Ni2＋<Cu2＋>Zn2＋
是生物无机化学研究另一个常用无机化学原理。
2.3 生物体中金属离子的电子结构和几何结构
配位数3面四方，四面体
配位数5：四方锥，三角双锥
配位数6：八面体
配合物d轨道配位场分裂图
2.4 配合物中配体的反应性
中心金属离子具有改变配体对外界底物反应性 的能力；
配位后，配体酸性通常增强，易发生水解；
中心金属离子具有模板效应，促使反应物在其 周围排列缩合生成配体。
Fe2(OH)24+ + 2H+ pKa=2.9 Fe(OH)2+ + H+ Fe(OH)3 + H+ Fe(OH)4- + H+ pKa=3.5 pKa=6 pKa=10
这说明了如果没有配体的支撑，水合铁（III）离 子以及许多其它金属离子配合物都不能在 7 左右 的生理pH下存在。其他质子生物配体的二聚或多 聚金属离子相当普遍的存在着。如，在铁硫蛋白 中发现三桥联的μ3－硫三铁单元，在牛红血球超 氧化物歧化酶中发现桥联 μ －咪唑基铜（ II ）－ 锌（II）。
3. 电子转移反应
电子转移到过渡金属离子，或从过渡金属离子转移 出来，可以用内界机理和外界机理2种反应途径来描 述。内界电子转移的特点，是存在一个或多个直接 与反应物配位层相连的桥式配体。如
[Co(NH3)5Cl] + [Cr(H2O)6]
2+
2+
5H+
[Co(H2O)6]2++ [Cr(H2O)5Cl]2+ + 5NH4+