A dioxigén homogén katalitikus aktiválása dioximátovas(ii) komplexekkel. May Zoltán

Átírás

1 A dioxigén homogén katalitikus aktiválása dioximátovas(ii) komplexekkel doktori (Ph.D.) értekezés tézisei May Zoltán okleveles vegyész Eötvös Loránd Tudományegyetem, Kémia Doktori Iskola, Elméleti és fizikai kémia, anyagszerkezetkutatás doktori program A doktori iskola vezetője: Dr. Inzelt György egyetemi tanár Programvezető: Dr. Surján Péter Témavezető: Dr. Simándi László Magyar Tudományos Akadémia, Kémiai Kutatóközpont Budapest,

2 I. Bevezetés A dioxigén katalitikus aktiválásának felismerése és vizsgálata nagy jelentőséggel bír, mivel szorosan kapcsolódik a természetes oxigénhordozók (mint például a hemoglobin, ill. mioglobin) szerepének és működési mechanizmusának tanulmányozásához, valamint a hem-típusú monooxigenázok (pl. citokrom P-450) ill. a nem-hem-típusú dioxigenázok vizsgálatához és modellezéséhez. A dioxigén aktiválására triplett alapállapota miatt van szükség, hiszen földi körülmények között a szerves anyagok szingulett állapotúak és így csak lassan lépnek reakcióba a dioxigénnel, mivel a spinmegmaradás törvényének értelmében triplett állapotú molekula közvetlen reakciója szingulett molekulával spin-tiltott folyamat, amely csak rendkívül lassan mehet végbe. Párosítatlan elektront tartalmazó átmenetifémionokkal történő komplexképzéskor a fenti akadály megszűnik, mert az így képződött dioxigénkomplex úgy reagálhat szingulett állapotú szerves molekulákkal, hogy eközben a párosítatlan elektronok száma nem változik és teljesül a spinmegmaradás törvénye. Ezen az úton tehát megszűnik a dioxigén reakciójával szembeni spintiltás, és megvalósulhat az O 2 molekula katalitikus aktiválása. Ha a metalloenzimeket fehérjébe ágyazott fémkomplexeknek tekintjük, a katalitikus aktivitás hordozójaként működő aktív centrumot kismolekulájú fémkomplexekkel modellezhetjük (biomimetikus katalízis). Az enzimmodellek lehetnek szerkezeti vagy funkcionális modellek. Az előbbiek az enzim szerkezetét, utóbbiak viszont az enzim működési mechanizmusát modellezik. Munkám során elsősorban vastartalmú enzimek funkcionális modellezésével foglalkoztam és vaskomplexek katalitikus aktivitását vizsgáltam. A vastartalmú enzimek hem-típusú és nem-hem-típusú csoportra oszthatóak. A hem-típusú enzimekben a vasiont porfirinligandum veszi körül, míg a nem-hem-típusú enzimekben a vasionhoz másfajta ligandumok koordinálódnak. Ez utóbbi csoport fontos képviselői a pirokatechin oxidázok (katecholázok, vagy katechol oxidázok), ill. pirokatechin dioxigenázok (katechol dioxigenázok). Doktori munkám közvetlen előzményét a kutatócsoportban korábban vizsgált két funkcionális enzimmodell, a [bisz(dimetil-glioximáto)-bisz(trifenil-foszfin)-kobalt(ii)], 2

3 [Co(Hdmg) 2 (PPh 3 ) 2 ], rövid nevén kobaloxim(ii) és a [bisz(dimetil-glioximáto)-bisz(metil-imidazol)-vas(ii)], röviden ferroxim(ii) képezi. Metanolos oldatban e két komplex egyik axiális liganduma szolvolízis útján távozik és ötös koordinációjú, négyzetes piramisos szerkezetű, pirokatechin oxidáz aktivitást mutató katalizátor jön létre. Munkám során célul tűztűk ki a ferroxim(ii) szerkezetének módosítását és a változás hatásának vizsgálatát a katalitikus oxidáció paramétereire. Ennek érdekében a két dimetil-glioximáto ligandum helyett egyetlen, de hosszabb láncú dioximáto ligandumot alkalmaztunk és vizsgáltuk a módosított szerkezetű vas(ii)komplex hatását a katalitikus aktivitásra. II. Célkitűzések 1. A csoportunkban korábban vizsgált kobaloxim(ii) és ferroxim(ii) komplexekkel mint funkcionális pirokatechin oxidáz enzimmodellekkel szerzett ismeretek kiterjesztése újabb dioximátovas(ii) komplexre, különös tekintettel a modellek működési mechanizmusára. 2. Három új, a ferroxim(ii)-ből levezethető dioximátovas(ii) komplex, a [Fe(H 2 dmdt)] 2+, [Fe(Hdmpd)] + és [Fe(Hdmed)] + előállítása és szerkezeti jellemzése Röntgenszórás, Mössbauer, ESR és UV-látható spektroszkópia és tömegspektrometria segítségével. 3. Az új komplexek katalitikus aktivitásának részletes kinetikai vizsgálata a 3,5-di-tercbutil-pirokatechin modellszubsztrátum oxidációjának példáján. Az empirikus kinetikai egyenlet megállapítása a katalizátor, szubsztrátum, dioxigén és a trietil-amin (TEA) adalék koncentrációjának változtatásával. 4. Az elvégzett szerkezeti és kinetikai vizsgálatok alapján a pirokatechin oxidáz aktivitás modellezésére alkalmas reakciómechanizmus kidolgozása. 5. A vizsgálatokkal összhangban álló reakciómechanizmushoz tartozó kinetikai paraméterek meghatározása és összefüggések keresése a komplexek szerkezete és kinetikailag jellemzett katalitikus aktivitása között. 3

4 III. Új tudományos eredmények 1. Előállítottunk három új dioxim típusú ligandumot diacetil-monoxim (dm) és dietilén-triamin (dt), propilén-diamin (pd), valamint etilén-diamin (ed) kondenzációs reakciójával. A ligandumok jelölései e rövidítések felhasználásával: H 2 dmdt, H 2 dmpd és H 2 dmed. 2. Előállítottuk az új ligandumok vas(ii)komplexeit, melyeket elemanalízis, tömegspektrometria, Mössbauer spektroszkópia, folyadékfázisú röntgenszórás és kvantumkémiai számítások segítségével jellemeztünk. Röntgendiffrakciós szerkezetmeghatározást a komplexek igen jó oldhatósága miatt nem végezhettünk. i) Az elemanalitikai mérések alapján a komplexek formiátsóinak összetétele a következő: [Fe II (H 2 dmdt)](hcoo) 2, [Fe II (Hdmpd)](HCOO) és [Fe II (Hdmed)](HCOO). ii) A folyadékfázisú röntgenszórásmérések alapján az [Fe(H 2 dmdt)] 2+ komplexben a ligandum mind az öt nitrogénatomja koordinálódik a vas(ii)ionhoz. A dietilén-triamin rész 'középső' szekunder nitrogénatomja és a vasion közötti koordinatív kötés hosszabb, mint a másik négy kötés. Az [Fe(Hdmed)] + és [Fe(Hdmpd)] + komplexben a négy koordinatív kötés átlagos hossza 1,87 Å, az [Fe(H 2 dmdt)] 2+ esetében pedig 1,92 Å. iii) A gázfázisra elvégzett elméleti számítások eredményei (BLYP kicserélődési funkcionál TZP bázison, ADF nevű program) teljes összhangban vannak a röntgenszórás mérésekkel. iv) A Mössbauer spektroszkópia sigítségével meghatározott IS és QS értékek közel azonosak a 4 koordinációs szférájú [Fe(Hdmed)] + és [Fe(Hdmpd)] + esetén, míg az 5 típusú értékei ezeknél jelentősen nagyobbak. A nagyobb izomer eltolódás azt jelzi, hogy az [Fe(H 2 dmdt)] 2+ komplexben a ligandum 'ötödik', szekunder nitrogénatomja is koordinálódik a központi vasionhoz, növelve a mag helyén érvényesülő elektronsűrűséget. A nagyobb kvadrupól felhasadás pedig e vaskomplex kevésbé szimmetrikus szerkezetét tükrözi. Mindkét következtetés összhangban van a folyadékröntgen-szórás vizsgálatok és a kvantumkémiai számítások eredményeivel. Ennek alapján az a ill. b szerkezetek kialakulására következtethetünk. Az a szerkezet az [Fe(Hdmed)] + és az [Fe(Hdmpd)] + komplex közel síknégyzetes geometriáját mutatja, míg a b ábrán az [Fe(H 2 dmdt)] 2+ torzult tertragonális piramisos szerkeztete látható. 4

5 3. Megállapítottuk, hogy mindhárom vaskomplex katalitikus aktivitást mutat a 3,5-diterc-butil-pirokatechin (H 2 dtbc) dioxigénnel végbemenő biomimetikus oxidációjában 3,5-di-terc-butil-o-benzokinonná (dtbq). E komplexek tehát funkcionális pirokatechin oxidáz modellként viselkednek. A reakció gázvolumetriás módszerrel megállapított sztöchiometriája: H 2 dtbc + 0,5 O 2 dtbq + H 2 O. 4. Részletes kinetikai vizsgálatokat végeztünk a katalitikus oxidáció mechanizmusának felderítése céljából. Látszólagos elsőrendű körülmények között, az O 2 - elnyelés kezdeti sebességének mérésével (gázvolumetriás módszer, állandó nyomáson) megállapítottuk a reaktánsokra vonatkozó részrendeket (katalizátor, szubsztrátum, dioxigén, ill. bázis) és a tapasztalati sebességi egyenletet. Megállapítottuk, hogy mindhárom katalizátor esetén ([Fe(H 2 dmdt)] 2+, [Fe(Hdmpd)] + és [Fe(Hdmed)] + ) a H 2 dtbc dtbq reakció elsőrendű a katalizátor és az O 2 koncentrációjára nézve, és 1-nél kisebb rend szerint változik a szubsztrátum függvényében (telítési görbe jelleg). 6. A tapasztalati sebességi egyenlet alapján reakciómechanizmust javasoltunk, amelynek két alesete különböztethető meg attól függően, hogy a szabad koordinációs helyek száma kettő (az [Fe(Hdmpd)] + és az [Fe(Hdmed)] + komplexben) vagy egy (az [Fe(H 2 dmdt)] 2+ komplexben), I. aleset: A reakció első lépésében a szubsztrátum (H 2 dtbc), a másodikban pedig az O 2 kötődik a vaskomplexhez. Az első lépésben felszabaduló protont a felnyíló H-hid OH csoportként köti meg. Az O 2 ezt követően kötődik meg a második szabad helyen. II. aleset: Az egyetlen szabad helyen a H 2 dtbc monoanionként kötődik, a protont pedig az iminligandum köti meg. Az így megüresedett helyre kötődik az O 2 molekula. A kétféle aktív terner köztitermék szerkezete a következő: 5

6 O 2 O 2 H 3 C H 3 C Fe III CH 3 CH 3 H 2 Fe III HO HO O OH OH HO O OH A fenti aktív köztitermékekből a sebességmeghatározó lépésben szemikinon gyökanion (dbsq - ) eliminálódik, amelyet ESR spektroszkópia segítségével azonosítottunk. Dioxigénnel a dbsq - gyors lépésben a dtbq végtermékké oxidálódik. 7. A feltételezett reakciómechanizmus összhangban van a megfigyelt kinetikai viselkedéssel és a következő kinetikai egyenlethez vezet:. V k = k 3 K 1 K 2 [Fe] o [O 2 ][H 2 dtbc] o 1 + K 1 [H 2 dtbc] o ahol k 3 K 1 K 2 az effektív sebességi koefficiens, a három vizsgált komplexre a következő értékeket veszi fel: 6

7 Katalizátor k 3 K 2 K 1 / M -2 s -1 [Fe(H 2 dmdt)] 2+ 55,6±1,1 [Fe(Hdmpd)] + 93,6±1,9 [Fe(Hdmed)] + 350±7,0 A komplexek katalitikus aktivitása a vaskomplex szerkezetének merevségével növekszik. A legnagyobb aktivitást az ekvatoriális sikban a hidrogénhíddal legjobban kimerevített [Fe(Hdmed)] + mutatja. Ennél is aktívabb a korábban vizsgált [Fe(Hdmg) 2 (-MeIm)], másnéven ferroxim(ii), amely ekvatoriális síkjában két hidrogénhíd kötést tartalmaz. 8. Megállapítottuk, hogy a trietil-amin (TEA) jelentősen meggyorsítja a H 2 dtbc oxidációját, aminek eredendő oka a szubsztrátum deprotonálódása. Az így keletkező monoanion (Hdtbc - ) dioxigénnel a HdtbcO - 2 hidroperoxidot adja, amely koordinálódik a vaskomplexhez és ezzel új reakcióutat nyit meg. Ez az un. vas-aktivált bázis katalízis, amelyet elsőként kutatócsoportunkban figyeltek meg Mn-komplex jelenlétében, gyorsabb Hdtbc - + O 2 O OH + [Fe(HL)] + O OH O 2 - O 2 Fe III (HL) (HdtbcO 2 - ) [(HL)Fe III (O 2 dtbch)] mint akár a csak TEA-katalizált, akár a csak vas-katalizált reakcióút. Ez az új reakcióút a kétfajta hozzájárulás szinergetikus kombinációjának is tekinthető. 9. Megállapítottuk, hogy a vas-aktivált bázis katalízis kinetikai egyenlete, összhangban a két reakcióút hozzájárulásával, a következő formában adható meg (k B + k Fe K 1 T [Fe] o ) K B [Hdtbc - ] o [O 2 ] o V in = 1 + K C [H 2 dtbc] o /K T [TEA] o 7

8 10. A kinetikai egyenlet alapján meghatároztuk a katalitikus oxidáció k Fe K 2 K 1 T effektív sebességi koefficiensét TEA jelenlétében. A három vaskomplexre kapott értékeket a gyorsulás arányával együtt az alábbi táblázatban tüntettük fel. Katalizátor 10-3 k Fe K 2 K 1 T Gyorsulási arány / M -2 s -1 TEA hatására [Fe(H 2 dmdt)] 2+ 3,79±0,1 68,1 [Fe(Hdmpd)] + 3,29±0,1 35,1 [Fe(Hdmed)] + 6,75±0,1 19,3 8

9 Az értekezés alapján készült közlemények 1. Z. May, L.I. Simándi, A. Vértes: Iron-assisted, base catalyzed biomimetic activation of dioxygen by dioximatoiron(ii) complexes. Kinetics and mechanism of model catecholase activity J. Mol. Catal.-A: Chemical, accepted for publication 2. Z. May, L.I. Simándi, Z. émeth: A novel iron-enhanced pathway for base-catalyzed catechol oxidation by dioxygen React. Kinet. Catal. Lett., 89, (2006) 3. T. Megyes, Z. May, G. Schubert, T. Grósz, L. I. Simándi, T. Radnai: Synthesis and structure study of some catecholase-mimetic iron complexes Inorg. Chim. Acta, 359, (2006). 4. T.M. Simándi, L.I. Simándi, Z. May and I.Cs. Szigyártó: Hydrogen atom vs electron transfer in catecholase-mimetic oxidations by superoxometal complexes. Deuterium kinetic isotope effecets Dalton Trans., (2005) 5. Z. May, T. M. Simándi and L.I. Simándi: Dioximatocobalt(II) and -iron(ii) complexes as catalysts for the biomimetic oxidation of catechol and 2-aminophenol with dioxygen Slovak Technical University Press, Bratislava, 2003 Monograph Series of the International Conferences on Coordination Chemistry (Eds Milan Melnik, Anton Sirota) Vol. 6, pp Smolenice, Slovakia L.I. Simandi, T.M. Simandi, Z. May, G. Besenyei: Catalytic activation of dioxygen by oximatocobalt(ii) and oximatoiron(ii) complexes for catecholase-mimetic oxidations of o-substituted phenols Coord. Chem. Rev., 245, (2003). 7. Z. May, G. Besenyei, L.I. Simandi, D. Asari, T. Funabiki: Catalytic biomimetic oxidation of catechols with iminobis(iminobutanone-oximato)- iron(ii). A functional catecholase and dioxygenase model J. Inorg. Biochem., 86, 332 (2001) Konferencia poszterek és előadások 1. May Z., Besenyei G., Simándi L. és T. Funabiki: A 3,5-di-tercbutil-pirokatechin katalitikus oxidációja amino-bisz-(imino-butanon)- oximáto-vas(ii) jelenlétében. Funkcionális katecholáz és dioxigenáz hatás XXXVI. Komplexkémiai Kollokvium Pécs, május (előadás) 9

10 2. Zoltán May, Gábor Besenyei, László I. Simándi, Dauisuke Asari and Takuzo Funabiki: Catalytic biomimetic oxidation of catechols with iminobis- (iminobutanone-oximato)-iron(ii). A functional catecholase and dioxygenase model 10 th Internation Conference on Bioinorganic Chemistry Florence, Italy, August 26-31, 2001 (poszter) 3. May Z., Simándi L., Besenyei G., émeth Z., Vértes A.: Hidroxiimino Schiff-bázisok vas(ii) komplexeinek előállítása és katalitikus hatása a 3,5-di-terc-butil-pirokatechin oxidációjában Kutatóközponti Tudományos apok május 27-28, MTA KK KI (előadás) 4. May Z., Simándi L., Besenyei G., émeth Z., Vértes A.: Hidroxiimino Schiff-bázisok vas(ii) komplexeinek előállítása és katalitikus hatása a 3,5-di-terc-butil-pirokatechin oxidációjában XXXVII. Komplexkémiai Kollokvium május 29-31, Mátraháza (előadás) 5. May Z., Párkányi L. és Simándi L.: A dioxigén biomimetikus aktiválása dioximáto-vas(ii) komplexekkel XXXVIII. Komplexkémiai Kollokvium Gyula, május (előadás) 6. May Z., Párkányi L. és Simándi L.: A dioxigén biomimetikus aktiválása dioximáto-vas(ii) komplexekkel Kutatóközponti Tudományos apok MTA KK KI, május (előadás) 7. Z. May, L. Párkányi, L. I. Simándi, G. Besenyei, Z. émeth, E. Kuzmann, A. Vértes, Á. Gömöry and K. Vékey: Biomimetic activation of dioxygen by dioximatoiron(ii) complexes 28 th International Conference on Solution Chemistry August 24-29, 2003 Debrecen, Book of Abstracts C-P15, p. 201 (poszter) 8. Z. May, T. Megyes and L. I. Simándi: Biomimetic activation of dioxygen by dioximatoiron(ii) complexes Inorganic Reaction Mechanisms Meeting January, 2004, Athens, Greece (poszter) 9. Z. May and L. I. Simándi: Biomimetic activation of dioxygen by dioximatoiron(ii) complexes COST-Workshop April 24-25, 2004, Girona, Spain (előadás) 10

11 10. May Z. és Simándi L.: A dioxigén biomimetikus aktiválása dioximátovas(ii) komplexekkel VII. Doktori Iskola Tahi, április 27-28, (előadás) 11. May Z. és Simándi L.: A dioxigén biomimetikus aktiválása dioximátovas(ii) komplexekkel XXXIX. Komplexkémiai Kollokvium Gárdony, május (előadás) 12. May Z., Megyes T. és Simándi L.: A dioxigén biomimetikus aktiválása dioximátovas(ii) komplexekkel Kutatóközponti Tudományos apok MTA KK KI, június 2-3 (előadás) 11