Mechanistische Aufklärung der Struktur-Reaktivitäts-Beziehung von redoxaktiven Metallkomplexen mittels hochdruckkinetischer und thermodynamischer Messungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel dieses Projektes war, ein tieferes mechanistisches Verständnis von redox-aktiven Metallzentren bei der Aktivierung kleiner Molekülen zu bekommen. Hierzu wurden spektroskopische Untersuchungen durchgeführt um kinetische und thermodynamische Daten zu erhalte. Insbesondere wurden Hochdruck- und Tieftemperatur-‚rapid-scan’- Methoden zur Anwendung gebracht um grundlegende mechanistische Aspekte der Struktur- Reaktivitäts-Beziehung von redox-aktiven Metallkomplexen zu untersuchen. Um unsere langjährigen Arbeiten auf diesem Gebiet abzuschließen, fokussierten wir uns auf die Aktivierung von H2O2 und m-Chloroperoxobenzoesäure (m-CPBA) durch Fe(III)- Porphyrinkomplexe, funktionelle Modelle für Cytochrom P450 und Cytochrom P450cam selbst. Hierbei wollten wir katalytisch aktive Intermediate charakterisieren, d.h. Compound O, I und II, und deren mechanistisches Verhaltens bei Sauerstoffübertragungsreaktionen untersuchen. Wir untersuchten die Reaktionen von [FeIII(TPFPP)(X)], X = Cl- und CF3SO3- (OTf-), mit H2O2 in Acetonitril bei -15 °C. Hierbei konnten wir keine Wasserstoffperoxid/Hydroperoxid Eisen(III)porphyrinintermediaten beobachten, die stabil genug waren um in weitere Reaktivitätsstudien mit organischen Substraten eingesetzt zu werden. Im Gegensatz hierzu konnte in basischer Lösung die Bildung von low-spin [FeIII(TPFPP)(OH)(OOH)] (Compound 0) beobachtet werden, welche zu [FeIV(TPFPP+.)(OH)(O)] (Compound I) weiter reagiert und erst effiziente Sauerstoffübertragungsreaktionen ermöglichte. Für verschiedene Reaktionen, der aus dem Modellsystem FeIII(TMP)OH gebildeten Intermediate, konnten thermische und Druckaktivierungsparameter ermittelt werden. Diese ermöglichten wiederum die Einzelbeiträge der Aktivierungsenthalpien und –entropien zur freien Aktivierungsenthalpie zu bestimmen und daraus folgend die Sauerstoffübertragung vor dem Hintergrund von enthalpie- und entropiekontrollierten Mechanismen zu verstehen; das Aktivierungsvolumen konnte in intrinsischen, Solvatations- und Spinzustandseffekte unterteilt werden. Viel Zeit wurde der Untersuchungen des Katalysezyklus von Cytochrome P450cam gewidmet. Als Erstes befassten wir uns mit detaillierten mechanistischen Untersuchung zur Bindung von Campher an den ‚resting state’ von Cytochrom P450cam, anschließend wurden mittels Tieftemperatur-‘rapid-scan’-Verfahren die katalytisch aktiven Spezies des Katalysezyklus erforscht. Während der Reaktion von m-CPBA mit substratfreiem P450cam, konnte eine deutliche Bildung von Compound I, FeIV(P.+)=O, beobachtet werden. Bei der nachfolgenden Zugabe von Campher als Substrat zeigten sich keine Hinweise auf einen irgendwie gearteten Katalysezyklus oder die Hydroxylierung von Campher. Im Gegensatz hierzu konnte die Bildung von FeIII(P)OOH (Compound 0) sehr deutlich beobachtet werden, wenn substratfreies P450cam mit H2O2 bei pH 8.5 (erreicht durch eine pH-Sprungmethode) in Anwesenheit von 30 % Ethylenglycol reagiert. In der Gegenwart von Campher waren die beobachteten spektralen Änderungen sehr charakteristisch für die Umsetzung von camphergebundenem P450cam zu campherfreiem P450cam. Hieraus darf gefolgert werden, dass die katalytische Hydroxylierung von Campher unter diesen Bedingungen stattfand. Eine nachfolgend detaillierte kinetische Untersuchung zeigte, dass H2O2 nicht mit P450cam reagiert, wenn ein Substrat gebunden ist, sehr wohl aber mit der substratfreien Form von P450cam. Diese Beobachtungsergebnisse sprechen dafür, dass das bei höherem pH-Wert gebildete FeIII(P)OH erst eine gute Koordination von H2O2 ermöglicht. Durch die Übertragung eines Protons von H2O2 auf den inerten Hydroxo-Ligand bildet sich ein labiler Aquakomplex, der schnell die deprotonierte HOO--Spezies bindet und damit Compound 0 als katalytisch aktive Spezies generiert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Thermodynamic, electrochemical, high-pressure kinetic and mechanistic studies of the formation of oxo FeIV-TAML® species in water. Inorg. Chem., 49, 11439-11448 (2010)
D.L. Popescu, M. Vrabel, A. Brausam, P. Madsen, G. Lente, I. Fabian, A.D. Ryabov, R. van Eldik and T.J. Collins
- Mechanistic studies on the reactions of cyanide with a water-soluble Fe(III) porphyrin and their effect on the binding of NO. Inorg. Chem., 50, 3413-3424 (2011)
M. Oszaja, A. Franke, M. Brindell, G. Stochel and R. van Eldik
- A complete volume profile for the reversible binding of camphor to cytochrome P450cam. J. Biol. Inorg. Chem., 17, 447-463 (2012)
A. Franke, E. Hartmann, I. Schlichting and R. van Eldik
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00775-011-0867-7) - Axial ligand and spin state influence on the formation and reactivity of hydroperoxo iron(III) porphyrin complexes. Chem. Eur. J., 18, 6935-6949 (2012)
A. Franke, C. Fertinger and R. van Eldik
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/chem.201103036) - Mechanistic studies on the oxidative degradation of Orange II by peracetic acid catalyzed by simple manganese(II) salts. Tuning the lifetime of the catalyst. New J. Chem., 36, 732-748 (2012)
S. Rothbart, E.E. Ember and R. van Eldik
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c2nj20852k) - Factors that determine the mechanism of NO activation by metal complexes of biological and environmental relevance. Eur. J. Inorg. Chem., 460-480 (2013)
A. Franke and R. van Eldik
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/ejic.201201111) - Solvent and pressure effects on the motions of encapsulated guests: Tuning the flexibility of a supramolecular host. J. Am. Chem. Soc., 135, 4299-4306 (2013)
J.S. Mugridge, A. Zahl, R. van Eldik, R.G. Bergman and K.N. Raymond
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/ja309949q)
