本研究由 Mahesh Kumar Choudhary、Daniel Kim 和 Neal P. Mankad 共同完成，三位研究者均来自伊利诺伊大学芝加哥分校化学系。该成果发表于 *Journal of the American Chemical Society*，于 2026 年 10 月 8 日正式接收。

本研究属于生物无机化学与合成无机化学的交叉领域，聚焦于好氧一氧化碳脱氢酶（CODH）活性位点的仿生模拟。好氧 CODH 是黄嘌呤氧化酶家族的一员，其活性位点含有一个非支撑型 Mo−S−Cu 异双金属核心，能够催化一氧化碳氧化为二氧化碳。该酶在环境修复和可持续化学合成方面具有潜在应用价值，同时其 Mo−S−Cu 结构是自然界中协同异双金属催化的典型范例。然而，好氧 CODH 催化机制中桥连硫原子的确切作用一直未被完全阐明。此前该课题组曾报道过一种由 N-杂环卡宾配体支撑的 W/Cu 模型体系，但该体系中铜中心与二硫烯配体硫原子以及末端氧原子之间存在不希望发生的次级配位作用，导致铜位点失活，无法与 CO 或异腈等底物分子配位。为克服这一缺陷，本研究提出假设：将单齿卡宾配体替换为具有更大空间位阻的双齿膦配体 tbuxantphos，或许能阻断这些不利的分子内相互作用，从而使模型体系能够实现底物配位。

研究的具体流程分为三个主要阶段。第一阶段是合成与结构表征。研究者将 [Cu(tbuxantphos)]⁺ 亲电试剂与 [(bdt)W⁺ⱽᴵ(O)(OSiⁱPr₃)(X)]⁻（X = O、S、Se）系列末端硫属化物前体反应，成功制备了 W/Cu 异双金属配合物 1（X = S）和 2（X = Se）。单晶 X 射线衍射分析显示，配合物 1 的晶体结构中存在两种无序组分：一种是 S═W−O−Cu 连接方式的组分 1，另一种是 O═W−S−Cu 连接方式的组分 1μ‑S，两者在固态中的比例为 52:48。值得注意的是，与课题组此前报道的卡宾配体模型体系不同，这两种组分中铜与二硫烯配体硫原子之间的距离为 4.980–5.463 Å，表明不存在 Cu···S 相互作用。1μ‑S 组分中 W−S−Cu 键角为 145.6°，W···Cu 距离为 3.9508 Å，与天然 CODH 活性位点的 Mo−S−Cu 键角（113°）和 Mo···Cu 距离（3.740 Å）更为接近。为了进一步判断溶液中 1 与 1μ‑S 的分布情况，研究者独立合成了双氧桥连配合物 1ᴼ,ᴼ，其 NMR 谱与 1 完全相同，表明 NMR 无法区分这两类异构体。密度泛函理论计算显示 1 的能量比 1μ‑S 低 3.4 kcal/mol，相应溶液中的布居比约为 300:1，因此溶液中的主要物种为氧桥连异构体 1，而固态中两者共存是晶体堆积力补偿不利键焓的结果。硒衍生物 2 的合成方法类似，但未能获得适合 X 射线衍射的晶体。DOSY NMR 证实了其异双金属完整性。DFT 计算同样表明 Se═W−O−Cu 异构体比 O═W−Se−Cu 异构体能量低 1.4 kcal/mol，验证了氧桥连异构体为热力学更稳定形式的实验归属。

第二阶段为反应性研究。研究者首先测试了配合物 1 与异腈的反应。在室温下将 1 与邻甲苯基异腈或 1-金刚烷基异腈混合，通过 ¹H 和 ³¹P NMR 观察到完全转化为新物种 3ˣʸˡ 和 3ᵃᵈ。红外光谱显示配位后 C≡N 伸缩频率蓝移至 2145 cm⁻¹ 和 2165 cm⁻¹，表明这些异腈加合物属于非经典异腈配合物。这一蓝移现象在金属羰基化学中被归因于弱的 π 反馈键合以及配位诱导的 C−O σ 键增强或静电场效应。据作者所知，此前尚无任何 CODH 活性位点 CO 结合态的振动光谱数据报道，因此该结果提供了一个重要参照。硒衍生物 2 与异腈反应同样得到蓝移的 Se═W−O−Cu−CNR 加合物 4ˣʸˡ 和 4ᵃᵈ。DFT 计算进一步支持氧桥连异腈加合物比硫桥连异构体能量更低，且计算所得 C≡N 蓝移值与实验红外数据一致。研究者还尝试从异腈加合物出发，用氟离子去除硅保护基以触发 C−O 偶联生成异氰酸酯产物，但未获成功，反而观察到异腈解离和铜配体解配。与异腈的反应性形成鲜明对比的是，配合物 1 和 2 在各种条件下均不与一氧化碳气体反应。DFT 计算也表明 CO 配位形成 5、5μ‑S、6、6μ‑S 等加合物在标准条件下是吸能的，与实验观察一致。

第三阶段是计算化学分析。研究者对假想的 CO 加合物进行了深入的密度泛函理论计算，发现异腈配合物中氧桥连异构体更稳定，但在 CO 加合物中硫桥连异构体的稳定性反而更具优势。具体而言，对于 X = S 的体系，O═W−S−Cu−CO 异构体 5μ‑S 的 CO 配位自由能（+3.2 kcal/mol）比 S═W−O−Cu−CO 异构体 5（+3.9 kcal/mol）更低，且计算所得 C−O 伸缩频率红移更大（−83 cm⁻¹ vs −70 cm⁻¹）。硒体系也呈现相同趋势。对钼类似物 7 的计算同样显示硫桥连 CO 加合物更稳定。为探究这一现象的电子根源，研究者考察了前线分子轨道。在 5μ‑S 中，最高占据分子轨道为纯二硫烯配体轨道，而具有 Cu−CO π 反馈键合特征的关键分子轨道中，桥连硫 3p 轨道贡献高达 14%，二硫烯硫原子总贡献也为 14%，钨 5d 贡献 4%。这表明桥连硫提供了一条将氧化还原非纯良性的二硫烯配体的电子密度离域至 Cu−CO π 反馈键合轨道的通道，从而增强铜对 CO 的 π 反馈键合，红移 C−O 伸缩振动并提高 CO 结合常数。相比之下，氧桥连异构体 5 的对应分子轨道中桥连氧 2p 贡献不足 8%，且缺少二硫烯硫的显著贡献。为排除 W−X−Cu 键角差异的影响，研究者将 5 和 5μ‑S 在固定键角的条件下重新优化，发现桥连原子贡献与键角大小之间无显著相关性。

本研究得出的结论具有多重意义。首先，tbuxantphos 支撑的 W/Cu 平台成功实现了消除不利 Cu···S 和 W═O···Cu 相互作用的原始目标，但意外揭示出非支撑型 W−X−Cu 桥在合成体系中并不天然偏向硫属元素配位位置。空间位阻导致较宽的 W−O−Cu 键角成为热力学优选结构，这一结果说明天然酶中 Mo−S−Cu 连接方式的选择部分依赖于蛋白质基质的几何约束，而非异双金属核心固有的强电子偏好。其次，对异腈和 CO 反应性的对比表明，异腈配位在热力学上可行且呈非经典蓝移特征，而 CO 配位则普遍吸能。这一发现提出了一个开放性问题：天然 CODH 中经 EPR/ENDOR 表征的 Mo⁺ⱽ−S−Cu⁺−CO 中间体是否也可能具有非经典 CO 结合特征。第三，最为重要的是，DFT 计算揭示桥连硫原子在电子结构层面的关键作用——它提供了一条桥连氧化物无法提供的电子离域通道，使氧化还原非纯良性的二硫烯配体能够远程调控远端铜位点对 CO 底物的活化能力。这一发现将二硫烯配体的生物学功能从单纯的钼中心电子储存角色扩展到了对异双金属协同催化的主动调控，为理解 CODH 活性位点为何在热力学上似乎更偏好桥连氧的情况下仍然保留桥连硫提供了电子层面的答案。

本研究的亮点包括：首次报道了非经典蓝移异腈配位现象在 CODH 模型体系中的实验观察；发现了配体空间位阻对桥连原子选择性的主导作用；通过分子轨道分析建立了桥连硫原子介导的电子离域机制；以及提出了天然 CODH 中间体可能具有非经典 CO 结合特征的新假说。