Введение к работе
Актуальность темы исследования.
Исследование активных центров металлопротеинов с использованием простых синтетических моделей является одним из приоритетных направлений современной биокоординационной химии. В этом аспекте комплексы с азотхалькогенным лигандным окружением вызывают постоянный интерес и являются наиболее перспективными объектами при изучении структуры и спектральных характеристик активных центров ряда важнейших негемовых металлопротеинов. Несмотря на многочисленные работы в области моделирования активных центров медь- и железосодержащих белков круг металлохелатов с N,S лигандным окружением остается достаточно ограниченным. В основном низкомолекулярные соединения представлены комплексами, полученными на основе тиоэфирных, макроциклических лигандов и трициклическими металлохелатами, содержащими мостиковый фрагмент. При этом следует учесть, что, во-первых, эти соединения являются маловариабельными. Во-вторых, тиоэфирная группа не отражает в достаточной мере свойства тиолатного фрагмента. В-третьих, мало работ, где бы исследовались направленно подобранные серии комплексов, что позволяет определить влияние природы лигандной системы на их строение и как следствие на физико-химические параметры. Метод замещения атома серы на селен в последнее время является наиболее эффективным инструментом при изучении атомного и электронного строения активных центров природных объектов. В этой связи особенно актуальным является исследование металлохелатов меди (2+) с N,Se лигандным окружением еще боле труднодоступных, чем их аналоги с CuNxSy хромофором. Сравнительное изучение таких изоструктурных комплексов позволяет более детально оценить изменения электронного строения и спектральных параметров в природном белке и его мутанте, которые вызваны эффектом замещения атома серы на селен.
Избирательное и обратимое окисление тиольных/тиолатных групп в дисульфиды (например, цистеина в цистин) является одной из самых важных биологических реакций, приводящих к формированию дисульфидных мостиков в белках. Кроме того, тиол-дисульфид реакционная система - важный донор электронов для многих процессов, происходящих в природных объектах и определяющих регулирование передачи сигнала и деятельности фермента. Однако окислительно-восстановительные реакции в системе тиолат - дисульфид остаются в значительной степени недостаточно изученными в контексте моделирования их на простых синтетических комплексах. Исследования в этой
области имеют большое значение для подобных реакционных систем, представляющих собой новые доноры электронов.
Присоединение и активация кислорода металлоэнзимами и их синтетическими аналогами занимает одно из приоритетных мест в бионеорганической химии. Медьсодержащие белки, которые связывают и/или активируют кислород, выполняют множество важнейших биологических функций. Несмотря на многочисленные работы в этой области остается актуальным поиск лигандных систем и создание комплексов, которые позволили бы ответить на ряд вопросов, связанных с первичным актом присоединения кислорода и его активацией, систематизировать типы фрагментов медь-кислород, установить механизмы реакций, протекающих в природе. Это в свою очередь открывает перспективы для создания высокоэффективных и селективных катализаторов.
Работа выполнена в рамках программы Президиума РАН № 8 и при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты 97-03-33479-а, 01-03-32538-а, 04-03-08019-офи_а, 04-03-32366-а, 04-03-96805-р2004юг_а, 07-03-00710-а, 10-03-00434-а, 11-03-00475-а).
Цели и задачи исследования
-
Изучение реакции комплексообразования солей меди с азотхалькогенными органическими соединениями.
-
Синтез новых «теоретических», «подтверждающих» модельных систем активных центров медь- и железосодержащих протеинов, а также их кислород (селен) содержащих аналогов. Исследования строения, спектральных свойств различными физико-химическими методами, в том числе методами РСА и рентгеновской спектроскопии поглощения (РСП)
-
Исследования комплексов меди, поглощающих кислород, установление влияния природы лигандной системы на способность металлохелатов взаимодействовать с кислородом и его активацию.
Поставленные цели предполагают решение следующих задач:
-
Разработка оптимальных методик получения полифункциональных лигандов -аминометиленовых и азопроизводных пиразола, а также Р - аминовинилкетонов (тионов, иминов).
-
Синтез на основе указанных лигандов металлохелатов меди, железа с координационными узлами MNxO(S,Se)y и их никелевых, цинковых и кадмиевых аналогов.
-
Установление факторов, ингибирующих ред-окс процессы при синтезе комплексов меди с азотхалькогенсодержащими лигандами.
-
Установление закономерностей изменения спектральных характеристик ЭСП (электронные спектры поглощения) и ЭПР синтезированных металлохелатов от природы лиганда, состава координационного полиэдра и его строения, сравнение с аналогичными параметрами активных центров медь- и железосодержащих белков.
-
Расширение круга «теоретических» моделей, которые используются для определения структуры белка и применяются в качестве стандартов при установлении строения металлопротеинов методом EXAFS спектроскопии. Установление корреляции между данными РСП различных синтетических моделей, определяемых набором донорных атомов и геометрией хелатного узла.
6 Синтез и исследование Р-аминовинилиминатных комплексов меди (2+) -
абсорбентов кислорода.
Научная новизна исследования. Предложен новый подход к созданию модельных соединений активных центров белков, заключающийся: в направленном синтезе систематических серий комплексов, которые обладают разнообразной геометрией и составом координационного полиэдра, в детальном исследовании их строения и физико-химических характеристик, в квантово-химическом моделировании спектральных свойств. Применение такого подхода также позволяет установить факторы, ингибирующие ред-окс процессы при синтезе N,S(Se) содержащих металлохелатов меди и железа. Впервые синтезированы целенаправленные серии труднодоступных соединений меди и железа с азотхалькогенным лигандным окружением, имеющих различную геометрию хелатного узла и разнообразные физико-химические параметры. Получены их кислородные никелевые, цинковые, кадмиевые аналоги. Соединения исследовались методами РСА, РСП, гетероядерного ЯМР, ЭПР, ПК, гамма-резонансной (ГР) спектроскопией, магнетохимии. Установлено влияние замены донорных атомов S в лигандах атомами О, Se, N, а также СН группы азометиновой связи атомом азота на строение и спектральные характеристики комплексов. Показано, что изменения в ЭСП металлохелатов с CuN2Se2 хромофором по сравнению с их серосодержащими аналогами подобны тем, что наблюдаются при замещении в азурине серы цистеина на селен. Установлено, что тетраэдрическое искажение хелатного узла в комплексах меди приближает их спектральные параметры к параметрам активного центра ТІ. Физико-химические свойства пентакоординированных металлохелатов меди ближе к свойствам «красного» активного центра нитрозоцианина.
Впервые получены и структурно охарактеризованы неизвестные до настоящего времени и синтетически труднодоступные селенолатные комплексы меди (2+), которые представляют интерес как модели Se(Cys, Met) мутантов природных протеинов.
Изучены реакции комплексообразования солей меди с азотхалькогенсодержащими лигандами. Установлено, влияние природы лиганда и заместителей в аминной компоненте на направление реакции и строение конечных продуктов. Показано, что наличие в лигандных системах аннелированного пиразольного цикла и аминохинолинового фрагмента повышают устойчивость комплексов меди и железа в присутствии донорных атомов серы и селена.
Обнаружено, что взаимодействие солей меди с дисульфидными производными пиразольного и тозильного альдегидов приводит к разрыву S-S связи и образованию диамагнитных биядерных металлохелатов меди (2+).
Впервые методами РСП (EXAFS, XANES) определены структурные параметры ряда комплексов в твердом состоянии и в растворе.
Одновременно с группами Tolmana, W., Yokota S. изучены реакции Р-аминовинилиминов с солями меди. Методами PC А, рентгеновской дифракции, ЭСП, ЭПР, РСП и магнетохимии доказана способность Р-аминовинилиминатных комплексов поглощать и активировать кислород. Установлено влияние заместителей в органической молекуле на эту способность.
Обнаружено, что комплексы железа (3+), содержащие донорные атомы серы и селена, достаточно адекватно воспроизводят спектральные характеристики нитрилгидратазы и являются низкоспиновыми, что характерно для природного белка.
Теоретическая и практическая значимость работы.
-Разработаны препаративные методы синтеза устойчивых комплексов меди (2+), железа (3+) с азотхалькогенным лигандным окружением (особо отметим селенолатные соединения меди) - моделей активных центров ряда важнейших негемовых металлопротеинов.
-Установлены факторы, ингибирующие ред-окс процессы при получении металлохелатов меди и железа с серо(селен)содержащими лигандами, что позволяет значительно расширить круг такого типа комплексов, которые могут быть использованы не только в качестве моделей активных центров природных объектов, но и как псевдонуклеазы.
-Найденные в работе закономерности, связанные с образованием, строением и физико-химическими свойствами металлохелатов с азотхалькогенным лигандным
окружением, а также корреляции структура - физико-химические свойства важны для развития классической координационной химии.
Разработаны методы синтеза Р-аминовинилиминатных комплексов меди, способных поглощать и активировать кислород, что открывает перспективы для получения новых эффективных катализаторов.
Методология и методы исследования.
Исследование природных объектов с помощью простых синтетических моделей является важнейшим методологическим подходом современной бионеорганической химии. Основываясь на рациональном дизайне лигандных систем, были получены устойчивые комплексы Cu(2+), Fe(3+) с донорными атомами N, S(Se) и разнообразным строением, которые являются моделями активных центров ряда белков. Исследование соединений проводилось с помощью широкого набора современных физико-химических методов, включающих РСА, РСП, гетероядерный, динамический ЯМР-, ЭГГР-, ИК-, ГР, электронную спектроскопию, магнетохимию и квантово-химические расчеты.
Вклад соискателя. Автору принадлежит ключевая роль в выборе темы, направления исследований, постановке задач, а также в интерпретации и обобщении полученных результатов. Им определена стратегия экспериментальных работ и побор новых лигандных систем и металлохелатов на их основе в соответствии с основной целью исследований.
Апробация результатов исследования. Основные результаты диссертационного исследования неоднократно докладывались на следующих конференциях: 8-th Fechem Conference on Organometallic chemistry (Hungary, 1989 г.), Менделеевские съезды по общей и прикладной химии (1998, 2003, 2007 гг.), Чугаевские совещания и конференции по химии комплексных соединений (1990, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007, 2009, 2011 гг.), European Inorganic Chemistry Seminars, EICS-VI. Biocoordination Chemistry, Inorganic Compounds with Framework Structure (Denmark, 1996 г.), International Conference on the Chemistry of Selenium and Tellurium (Germany, 1997 г.), Международные семинары по магнитному резонансу (2000, 2002, 2004, 2006, 2008 гг.), International Conference "New Approaches in Coordination and Organo Metallic Chemistry. Look from 21-th Century" (Nizhny Novgorod, 2002 г.), The 10-, 12-, 13-th International Conference on X-ray Absorption Fine Structure (Sweden, 2003 r, U.S.A., 1998, 2006 г.), V-th Conference on Cluster's Chemistry and Polynuclear Compounds "Clusters-2006" (Astrakhan), International Conference on Organometallic and Coordination Chemistry (Nizhny Novgorod, 2008 г.), IV International Conference "High-Spin Molecules and Molecular Magnets" (Novosibirsk, 2012 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 46 работ в отечественных и зарубежных журналах и более 60 тезисов докладов российских и международных конференций.
Структура работы. Диссертационная работа содержит 437 страниц и состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части обсуждения полученных результатов, выводов, библиографии, которая включает 677 публикаций. В диссертации приведены 18 схем, 32 таблицы и 91 рисунок.
