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Durch einen -Oxodieisen(III)-Komplex katalysierte Hydroxylierung eines Arylliganden mit H2O2 und O2.

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ZUSCHRIFTEN
C-H-Bindungen durch molekularen Sauerstoff oder Wasserstoffperoxid zu iniitieren[" 'I. Unser Ansatz beruhte darauf, das
aktive Zentrum der Methan-Monooxygenase sowohl hinsichtlich der carboxylatoreichen Umgebung des Eisenzentrums als
auch die Nachbarschaft einer Bindungsstelle fur das Substrat
moglichst genau nachzuahmen. Dazu entwarfen wir ein Ethylendiamintetraessigslure(EDTA)-Derivat. in dem zwei Carboxylatoeinheiten durch zwei Phenylgruppen als Substrate fur
die Oxidation ersetzt wurden.
Mischen des Liganden L, N,N'-Bis(3,4,5-trimethoxybenzyl)ethylendiamin-N,N'-diessig~aure[~~
(1 mM), mit vier Aquivalenten Triethylamin in einer Losung aus Wasser und Acetonitril im
Verhiiltnis 1 : 1 sowie mit einem Aquivalent Fe(CIO,), . 9H,O
und zehn Aquivalenten Natriumacetat gab den p-Acetato-poxodieisen-Komplex [Fe,OL,(CH,CO,)] - 1. Seine Charakteri0 Me
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aOMe
I
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oder
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1
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Abb. 1 . Negativ-Ionen-Elektronenspray-Massenspektrum yon 1. Die berechnete Isotopenverteilung fur C,,H,,O,,Fe ist durch Balken unter den Peaks dargestellt.
Benzoatbrucke bei 6 = 9.03 lag. Alle Versuche, 1 zu isolieren
und zu kristallisieren, waren erfolglos. Anhand der diskutierten
Daten schlagen wir jedoch vor, daIJ es sich um einen zweikernigen Eiseiikomplex mit einer Acetato- und einer 0 x 0 brucke handelt. Die Koordinationssphare jedes Eisenatoms
wird durch zwei Sauerstoff- und zwei Stickstoffatome aus den
Carboxylato- bzw. tertiaren Aminoeinheiten des Liganden vervollstandigt.
Wurden zu einer 1 mM Losung des Komplexes 1 entweder
in waBrigem Acetatpuffer (pH 5.4) oder in Acetonitril/Wasser
(1/ I ) drei Aquivalente Wasserstoffperoxid zugegeben, wurde die
Losung durch das Auftreten eines neuen Chromophors mit einem Absorptionsmaximum bei 560 nm tief blau (Abb. 2). Die
neue, als Komplex 2 bezeichnete Spezies konnte nach Sattigen
der Losung mit NaCl mit CH,Cl, extrahiert werden. Es zeigte
sich, daB es sich um einen monomeren Eisenkoinplex handelte,
in dem der Ligand L an einer der Phenylgruppen in Position 2
hydroxyliert worden war. Die Monohydroxylierung von L wur-
OMe
MeO@OMe
ox
/-N.I
fCooH
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Me 0
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n
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0 Me
0
sierung in Losung stutzt sich auf sein UV/Vis-Spektrum[*], das
tatsachlich fur p-Acetato-p-oxodieisen-Komplexe
typisch ist ['I.
Sein ESI-MS-Spektrum["I zeigt einen Negativ-Ionen-Peak mit
m/z 1255.5 (loo%), der dem Quasimolekulion [Fe,OL,(CH,CO,)]- entspricht["I. Die Zuordnung wurde durch das
Profil der berechneten Isotopenverteilungen bestatigt (Abb. 1).
Das Fehlen von EPR-Signalen in Losung deutet auf eine antiferromagnetische Kopplung der Eisenionen iiber die Oxobrucke
hin. Das 'H-NMR-Spektrum (200 MHz, CD,CN/D,O) von 1
zeigt wenige Signale. Interessant ist das bei 6 = 12.5, das den
Methylprotonen der Acetatgruppe zugeschrieben wird, da eine
solche chemische Verschiebung die verbruckende Koordination
der Acetatgruppe beweist["]. Mit einer Propionatgruppe als
verbriickender Carboxylateinheit war das Signal der Methylenprotonen bei 6 = 11.3, wahrend das der m-Ringprotonen einer
2536
CCH Vrrlug\gesellsclzuftnzhH, D-6Y451 Wiwherm, 1996
10
20
30
40
timin
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hinm
---D
50
60
Abb. 2. Oben: Abhhgigkeit der Absorption bei 560 nm van der Zeit fur die Reaktion van 1 (0.75 mM) mit H,O, ( 3 Aquiv.; durchgezogene Lime) sowie mit O 2(Diffusion in die UV-MeOzelle) und 15 Aquiv. Ascorbat (gestrichelte Linie). Unten:
UV/Vis-Spektrum nach beendeter Reaktion.
$ 1 5 OO+ 2510
OO44-S249~96/lOS20-2536
Angel4 Chcm 1996, 108. N v 20
-2USCHRlFTEN
de nach Reduktion von 2 mit Dithionit 'H- und 13C-NMRspektroskopisch nachgewiesen. Das Positiv-Ionen-ESI-Massenspektrum von 2 zeigte nur das Signal fur das Quasimolekulion
[Fe(L') HI'. Das zugehorige Peakmuster bei m/ z 606 (90%)
ist vollig im Einklang rnit der berechneten Isotopenverteilung.
Es wurde kein Beweis fur ein Ion gefunden, das einer zweikernigen Spezies entsprechen wurde. Nach Aufarbeitung und Behandeln der Reaktionsmischung rnit EDTA im UberschuR zum Entfernen des Metallions wurde der modifizierte Ligand L' durch
HPLC/ESI-MS als N-(2-Hydroxy-3,4,5-trimethoxybenzyl)-N'(3,4,5-trimethoxybenzyl)ethylendiamin-~,N'-diessigsaure
identifiziert"']. Die umsatzbezogene Ausbeute der Oxidation lag bei
etwa 80%. Versuche, das Produkt zu kristallisieren waren wegen seiner sehr guten Loslichkeit in allen untersuchten Losungsmitteln auch hier erfolglos. Der sehr intensive Ubergang bei
560 nm im sichtbaren Bereich des Absorptionsspektrums von
2 kann einer Phenolato -+ Eisen-Charge-Transfer-Bande ( E =
1500 M-' cm-') zugeordnet ~ e r d e n " ~ ]Das
.
EPR-Spektrum
von 2 bei 100 K zeigt einen bei g = 4.3 zentrierten Ubergang fur
ein ein kerniges, hexakoordiniertes High-spin-Eisen(m)-Ion[' 51.
Es ist bemerkenswert, daR die Intensitlten des EPR-Signals bei
g = 4.3 und der Absorptionsbande bei 560 nm wlhrend der
Umwandlung von 1 in 2 in gleichem MaRe zunahmen. Wir
schlagen daher vor, daR im Komplex 2 das Eisen(uI)-Ion durch
zwei Stickstoff- und vier Sauerstoffatome, zwei der Carboxylatoeinheiten, eines des Phenolatrestes und eines aus einem Wassermolekul, koordiniert wird'161.
In Gegenwart von Acetat koordiniert also der Ligand L die
Eisenionen unter Bildung eines zweikernigen Eisenkomplexes,
in dem die Eisenionen durch eine 0x0- und eine Acetatogruppe
doppelt verbruckt sind. Als Substrate fur die Oxidation stellt L
Phenylgruppen in Nachbarschaft zum Eisenzentrum zur Verfugung. Wegen der wohlbekannten Labilitat von Acetatobrukken['7] ist eine Reaktion mit H,O, moglich und fiihrt sogar zur
aromatischen Hydroxylierung. Am Ende der Reaktion bildet
sich der Zweikernkomplex nicht erneut. Statt dessen wird ein
einkerniger Eisenkomplex mit einem Eisen-gebundenen Phenolatrest erhalten. L wird wahrscheinlich deswegen nur monohydroxyliert, weil der entstehende Phenolatoeisenkomplex 2
H,O, wegen der stark verminderten Aciditat des Eisenions nicht
binden und aktivieren kann.
Wahrend Alkylhydroperoxide, Natriumhypochlorid und mChlorperbenzoesaure den Komplex 1 unter den fur H,O, angewendeten Bedingungen nicht oxidieren, findet die Monohydroxylierung ohne H,O, , aber in Gegenwart von molekularem Sauerstoff und reduzierendem Ascorbat (Asc.) im UberschuB statt (Abb. 2). Die kinetischen Verhaltnisse und die Ausbeute der Reaktion ahneln denen H,O,-abhdngiger Reaktionen. Ohne Ascorbat tritt die Reaktion nicht ein. LieR man 1 mit
Ascorbat unter anaeroben Bedingungen reagieren, war die Losung nach einer halben Stunde merklich ausgebleicht. Durch
Zugabe von 0, wurde dann der bei 560 nm absorbierende Komplex 2 regeneriert. Dies ist ein deutlicher Hinweis darauf, dafi
Ascorbat zur Bildung eines Eisenkomplexes dient, der Disauerstoff binden und aktivieren kann. Es ist unwahrscheinlich, dafi
die Reaktion von der Bildung von H,O, abhlngt, da sie durch
die Zugabe von Katalase nicht beeinflufit wird.
Soweit wir wissen, ist dies der erste Bericht uber eine reduktive, durch einen zweikernigen Eisenkomplex katalysierte Aktivierung von molekularem Sauerstoff unter ,,aromatischer Hydroxylierung" als Modell fur Methan-Monooxygenase- oder
Ribonucleotid-Reduktase-abhgngige Reaktionen. Die Hydroxylierung eines Tyrosinrestes einer Mutante der Ribonucleotid-Reduktase wird hier auch insofern nachgeahmt, als dafi wie
im Enzyni das hydroxylierte Reaktionsprodukt am Eisenzen-
+
Angew Chrm. 1996, 108, Nr. 20
<i,
trum gebunden istt4]. Es ist anzumerken, daR eine derartige
Chemie im Fall von Kupferenzymen und ihren Modellverbindungen gut bekannt ist['*I.
Eingegangen am 19. April 1996 [Z 90521
-
Stichworte: Eisenverbindungen * Enzymmodelle Komplexe mit
Sauerstoffliganden Oxidationen * Zweikernkomplexe
-
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S. Menage und L. Que, Jr., New. .
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Die massenspektrometrische Analyse rnit Elektronenspray-Ionisation hat sich
zur Charakterisierung von mehrkernigen Eisen- und Mangankomplexen als
sehr nutzlich erwiesen: U. N. Andersen, C. J. Mackenzie, G. Bergesen, Inorg.
Cliem. 1995, 34, 1435.
Zwei weitere Positiv-Ionen-Peaks traten bei m / z (%) 1257.3 (100) und 1279 2
(10)fur[Fe,OL,(CH,CO,) + 2HJ' bzw. [Fe,OL,(CH,(:O,)
H Na]' rnit
den erwdrteten Isotopenmustern anf.
D. Kurtz, J Am. Chem. Soc. 1989, 111, 6563.
Die blane Losong wurde rnit 3 mM EDTA behdndelt iiiid 40 min auf 40 C
erwdrmt. Die HPLC-Analyse wurde rnit einer Waters-Pursil-Cl8-120-Saule
durchgefiihrt [7].
A. B. P. Lever, Inorgunic Electronic Spectroscopy, Elsevier. New York, 1984,
S. 311.
Die EPR-Titration wurde bei 100 K rnit [Fe"'(L")(H,O)] als Standard durchgefuhrt.
Ein Analogon des Komplexes 2 , [Fe"'(L"(H,O)] (L" = N-(2-Hydroxybenzyl)N'-(benzyl)ethylendiamin-N,N'-diessigs~iire) wurde als Pulver mit Phnlichen
spektroskopischen Eigenschaften isoliert und gab eine korrekte Elementaranalyse. Ein High-spin-Eisen-EPR-Signal wurde beobachtet, und bei 520 nm
(1500) trat im Elektronenspektruni eine Phenolato 4 ~'e"'-Charge-TransferBande auf. Elementaranalyse yon [Fe(L)(H,O)] ' 1 . 5 H,O ( Y O ) :ber. fur
( M , =470.1): 51.10, H 5.53, N 5.96, Fe 11.88; gef. 51.23,
FeC,,H,,N,O,,
H 5.43, N 6.05. Fe 12.00.
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Fukuzumi, J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 4714, zit. Lit.; b) M. S. Nasir, K. D.
Karlin, D. McGowty. J. Zubietd, hid. 1991, $13. 698.
VCH Verlri~geseN~chaft
mhH, 0-69451 Weinheim, 1996
+ +
0044-824Y/Y6/lOS20-2537$15.00+ ,2510
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