金属酶的活性除了与活性中心的金属离子及其配位的氨基酸残基有关之外，还与该中心微环境的多重弱相互作用有关，如静电作用、疏水作用和氢键作用等。对金属酶的模拟虽然已做了大量的工作，但大部分集中在对酶活性部位金属离子配位构型和配体的模拟上，只有很少的一部分模拟研究考虑了弱相互作用的协同效应。本文通过在2，2-联吡啶的5，5-位上进行修饰，设计合成出一系列具有功能基团或多金属配位点的2，2-联吡啶衍生物作为配体，并与过渡金属离子Cu(Ⅱ)或Zn(Ⅱ)配位，得到一系列单核或三核的金属酶模型配合物，用以模拟金属酶的金属中心及其催化过程所需的静电作用和疏水环境，以及研究多金属核之间的协同作用和功能基团与活性中心的协同作用对金属酶和模型配合物活性的影响。本文的内容包括以下几部分： 1．设计和合成了一系列具有不同修饰基团的2，2-联吡啶(bipy)衍生物作为配体，并通过元素分析、质谱、核磁共振和X-射线单晶衍射等技术表征了配体的结构。用三乙胺和三正丁胺在bipy的5，5-位上进行修饰，得到具有双季铵离子侧臂的配体L<1>和L<2>(L<1>=5,5-二(三乙铵基甲基)-2，2-联吡啶，L<2>=5,5-二(三正丁铵基甲基)-2，2-联吡啶)，季铵离子侧臂可以模拟金属酶活性中心周围的静电作用和疏水环境；采用不同的配位基团在2，2-联吡啶的5，5-位上进行修饰，得到三核配体L<3>和L<4>(L<3>=N,N,N,N -四(2-吡啶甲基)-5，5-二胺甲基-2，2-联吡啶，H<,4>L<4>=N,N,N,N -四(羧基甲基)-5，5-二胺甲基-2，2-联吡啶)，将两端侧臂的弱相互作用变成强作用。为了比较，还合成了一个三角形的三核配体L<5>(L<5>=N,N,N,N,N",N"-六(2-吡啶甲基)-1，3，5-三胺甲基苯)。 2．设计和合成了两个具有不同链长烷基季铵离子侧臂的2，2-联吡啶铜配合物并表征了它们的晶体结构：[Cu(L<1>)<,2>(Br)]<,5+>(1)和[Cu(L<2>)<,2>(Br)]<2+>(2)。热变性实验结果显示，配合物1和2都表现出比未修饰的2，2-联吡啶铜配合物([Cu(bipy)<,2>]<2+>)较强的DNA亲和力，三个配合物对CT DNA的亲和力顺序为：1>2>[Cu(bipy)<,2>]<2+>，说明正电性季铵离子侧臂的引入可以增大配合物与DNA负电性磷酸根骨架之间的静电作用。通过在自由基猝灭剂存在下测试配合物对pBR322DNA的断裂，初步证实DNA断裂机制为水解模式。水解断裂pBR322 DNA的研究显示，与未修饰的联吡啶配合物相比，1的催化效率提高了十倍，证明三乙基季铵离子侧臂可以通过静电作用促使配合物更易与DNA结合，从而加速DNA的断裂。晶体结构数据显示，配合物的三个作用位点之间的距离和排列方式与DNA链上的磷酸根骨架相匹配，这就使两端季铵离子侧臂与中心Cu-OH活性物种之间的协同作用成为可能。2未能显示出理想的催化效率，则是由于丁基产生的空间位阻阻碍了配合物与DNA的结合。 3．为了直接模拟天然核酸酶活性中心的锌离子，又以Zn(Ⅱ)代替配合物1和2中的Cu(Ⅱ)与L<1>和L<2>反应得到了配合物[Zn(L<1>)<,3>]<8+>。(3)和[Zn(L<2>)<,2>(Br)]<5+>(4)。晶体结构分析表明，Zn(Ⅱ)易与具有较小侧臂的配体L。形成l：3的配合物，而与具有较大侧臂的配体L<2>则形成1：2的配合物。配合物4的结构与Cu(Ⅱ)配合物1和2相似，其侧臂上带正电荷的氮原子与配位溴离子处于一条直线上，正电荷季铵离子和溴之间的距离与DNA链上相邻的两个磷酸根之间的距离相匹配。通过测试配合物在不同pH值条件下的<1>H NMR谱，证实了配合物在水溶液中会发生配体与水分子的交换，从而产生进攻DNA的活性物种[zn(L)<,2>(OH)]<5+>。水解断裂pBR322 DNA的研究发现配合物3和4对DNA的断裂能力均随着配合物浓度的增大而增大，在pH 6～9的范围内呈现“钟”型变化，在pH=7.5时达到最大值。与Cu(Ⅱ)配合物的情况明显不同的是，配合物3和4催化断裂：DNA的效率相差不大，这可能是因为配体L’与Zn(Ⅱ)形成3：1配合物的强烈倾向，降低了活性物种[Zn(L<1>)<,2>(OH)]<5+>的浓度，因此侧链基团较小的配合物3未能表现出比配合物4更高的活性。 4．设计和合成了三个具有不同正电荷和空间构型的三核Cu(II)配合物：两端为正电荷基团并具有线形结构的[Cu<,3>(L<3>)]<6+>(5)、两端为电中性基团且具有线形结构的[cu<,3>(L<4>)]<2+>(6)和具有三角形结构的[cu<,3>(L<5>)]<6+>(7)。CT DNA热变性实验结果显示，这些配合物具有较强的DNA亲和力，在较高的浓度下均可降低DNA双螺旋的稳定性。通过在自由基猝灭剂存在下测试配合物对pBR322DNA的断裂，初步证实断裂机制为水解模式。水解断裂pBR322质粒DNA的研究显示，配合物5比配合物6的核酸酶活性高10倍以上，说明两端的侧臂基团带有正电荷时有利于催化DNA断裂；对于正电荷数目相同的两个三核配合物而言，线形的配合物5比三角形的配合物7活性高大约30倍，说明线形排列的三个金属离子有利于与DNA链上呈线形排列的磷酸根骨架同时发生作用，从而通过多金属中心的协同作用更为有效地水解断裂DNA。 5．以Zn(Ⅱ)代替配合物5中的Cu(Ⅱ)合成出一个线形的三核锌配合物[zn<,3>(L<3>)(H<,2>O)<,8>]<6+>(8)并表征了其晶体结构。水解断裂pBR322 DNA的实验结果显示，配合物8具有较高的核酸酶活性。采用量子化学从头计算法和密度泛函理论对配合物8水解断裂DNA过程中可能形成的各种中间体进行了几何结构优化，预测了中间体的最稳定结构。结果显示，结构与核酸链上的磷酸根骨架相匹配的线形三核Zn(Ⅱ)配合物可以形成一种由三个Zn(Ⅱ)离子同时与磷酸根配位而稳定的过渡态，并通过其中的两个Zn(Ⅱ)离子的协同作用促使磷酸酯键发生水解断裂。 6．由于配合物1和2中铜离子周围的正电性和疏水性环境具有Cu,Zn．SOD活性中心的微环境特征，因此对配合物1和2进行了SOD模拟研究。首先测定了配合物1和2以及[Cu(bipy)2]2+的电化学性质，结果显示，季铵离子侧臂的引入使配合物的E<1/2>向正电位方向发生了移动，可能是由于正电荷侧臂的吸电子作用使Cu(Ⅱ)离子上的电子密度大大降低所致，并采用量子化学自然成键轨道理论分析了体系的电子结构和电荷分布，验证了上述实验结果。用黄嘌呤．黄嘌呤氧化酶．NBT法测定了配合物的SOD活性，结果显示配合物2具有非常高的SOD活性，高于文献报道的模型物，是天然BeSOD的一半，与文献报道的山葵SOD活性相同。大幅提高的SOD活性可归结于：(1)带正电荷的季铵离子可以直接吸引底物超氧离子接近活性中心的Cu(Ⅱ)离子；(2)季铵离子侧臂的诱导吸电子效应使配合物中Cu(Ⅱ)的氧化还原电位升高，从而增强了Cu(Ⅱ)将O<,2>氧化为O<,2>的能力；可见，配合物中的季铵离子可以发挥Cu,Zn．SOD中Arg141的作用。(3)季铵离子上丁基侧链提供的适宜疏水环境有利于超氧离子与配位水分子的竞争。通过控制反应条件，合成了Cu(Ⅱ)与L<1>和L<2>的比例为1：1的配合物[Cu(L<1>)(Br)<,2>]<2+>(9)和[Cu(L<2>)(Br)<,2>]<2+>(10)，对这两个配合物进行SOD模拟研究，所得结果与1：2的体系相同，进一步验证了上述结论。