Введение к работе
Актуальность проблемы. Изучение структуры и механизма действия ферментов открывает перспективы к созданию синтетических катализаторов по своей эффективности и селективности не уступающих ферментам. Поиск чисто химических молекулярно-организованных систем, основанных на подражании живой природе является задачей биомиметической химии.
Метан один из самых распространенных и
нереакционноспособных представителей семейства насыщенных углеводородов. Поэтому его селективное каталитическое окисление в мягких условиях, представляет одну из наиболее заслуживающих внимания химических проблем, имеющих также большое практическое значение. Отсутствие экономичной технологии его переработки стимулирует химиков искать новые реакции функционализации углеводородов. В то же время фермент метанмонооксигеназа (ММО) из Methylococcus capsulatus (Bath) и Methylosinus trichosporium ОВЗЬ способен окислять метан до метанола при нормальных условиях.
Известные в химии биядерные ц-оксо-р-карбоксилатные комплексы железа проявляют сходство с активными центрами таких ферментов как ММО, рибонуклеотидредукутаза (РНР) и гемеритрин (ГР), которые содержат два атома железа, связанные карбоксилатным мостиком. Подобные комплексы представляют интерес не только для фундаментальных исследований, но в будущем могли бы найти применение в промышленности в виде катализаторов различных окислительных реакций.
До настоящего времени синтезировано множество биядерных карбоксилат-мостиковых комплексов железа. Однако эффективные функциональные модели ММО не были получены. Одной из причин этого является кинетическая лабильность простых биядерных комплексов в условиях катализа, приводящая к разрушению биядерной структуры. С другой стороны, отсутствуют адекватные структурные модели активного центра ММО на основе так называемых каркасных полидентатных лигандов, обеспечивающих стабильность биядерной частицы за счет связывания низкодентатных лигандов при разных атомах железа.
Усовершенствование каркасных лигандов - наиболее очевидный путь к решению задачи моделирования ММО. Таким образом, развитие новых подходов к синтезу биядерных комплексов железа как структурных моделей ММО и родственных ферментов является актуальным в настоящее время и может привести к созданию эффективных структурно-функциональных моделей этих ферментов.
Цель работы.
Разработка нового типа каркасных полидентатных лигандов, содержащих иммобилизованный карбоксилат, способный связывать два иона железа. Такой подход подобен используемому природой в биядерных активных центрах карбоксилат-мостиковых ферментов, где мостикообразующий карбоксилат является частью полипептидного каркаса, который контролирует координационное окружение железа в активном центре фермента.
Изучение комплексообразования новых лигандов с ионами железа и влияния различных донорных групп на физико-химические свойства синтезируемых комплексов, а также на возможность выделения биядерных комплексов определенного строения.
Выяснение особенностей строения полученных комплексов методом рентгеноструктурного анализа.
Исследование строения комплексов в растворе спектральными методами включая ЯМР и электроспрей масс-спектроскопию (ЭСМС).
Изучение магнитных, спектроскопических и окислительно-восстановительных свойств новых комплексов железа.
Научная новизна работы.
Развит новый подход к синтезу биядерных комплексов железа как моделей биядерных оксидоредуктаз. Получено 10 новых каркасных полидентатных лигандов, несущих в своей структуре мостикообразующий карбоксилат. На их основе синтезировано и охарактеризовано 15 комплексов железа. Для некоторых из этих комплексов отработаны методы получения монокристаллов пригодных для рентгеноструктурного анализа. Установлены кристаллические структуры пяти комплексов.
Исследованы физико-химические свойства полученных комплексов методами ИК-, УФ-видимой, ЭПР, Мессбауэровской спектроскопии и измерением их магнитной восприимчивости.
Изучено поведение комплексов в растворах полярных
органических растворителей методом ядерного магнитного резонанса на
Н' (ЯМР), методом масс-спектроскопии с электрораспылением
раствора исследуемого вещества (ЭСМС) и методом Мессбауэровской спектроскопии.
Методами ЭСМС и ЯМР показана перестройка структур комплексов в растворах. Исследовано влияние кислотности среды и концентрации вещества в растворе на претерпеваемые комплексами перегруппировки.
Методом циклической вольтамперометрии исследовано редокс поведение синтезированных комплексов железа(Ш). Показано, что комплексы Fe(lll) подвергаются последовательному восстановлению в комплексы Fe(ll) в результате одноэлектронных стадий без разрушения биядерной структуры.
Практическая значимость работы.
Синтез новых лигандов с мостикообразующими
карбоксилатными группами открыл возможность исследовать их комплексообразование с Fe (III). Установление кристаллической структуры многих из этих комплексов, а также изучение их различными физико-химическими методами позволило впервые получить важные сведения об особенностях комплексообразования и использовании каркасных лигандов с иммобилизованными потенциально мостиковыми карбоксилатами для стабилизации биядерых комплексов с лабильными координационными местами. Последние необходимы для связывания и активации кислорода, поэтому стабильные комплексы с лабильными координационными местами в дальнейшем с успехом могут быть использованы для создания каталитических систем на основе биядерных комплексов железа.
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований доложены в виде устных и стендовых докладов на Российских и Международных конференциях: Всероссийское совещание "Высокоорганизованные каталитические системы", 9-10 июня 1998 г, Черноголовка; European Conference, Karrebaeksminde, Denmark, 6-11 September 1996 "Biocoordination Chemistry, Inorganic Compounds with framework Structures"; Coordination Chemistry Workshop, September 11-13, 1997, Bergen, Norway; European Coordination Chemistry Conference, August 1998, Spain; XXXIII International Conference on Coordination
Chemistry, September 1-4. 1998, Florence, Italy; 5th International Symposium on Applied Bioinorganic Chemistry 13-17 april 1999, Corfu, Greece: 9,h International Conference on Biological Inorganic Chemistry, July 11-16, 1999, Minneapolis, USA.
Публикации. По результатам работы опубликовано 7 статей, а также тезисы 7-й конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 153 страницах, включая 54 рисунка и 16 таблиц. Список цитируемой литературы включает 124 наименования.
Во введении обосновывается актуальность проблемы и сформулированы основные задачи исследования. В первой главе (литературный обзор) рассмотрены структурные особенности строения активных центров биядерных карбоксилат-мостиковых ферментов. Кратко рассмотрены современные представления о природе каталитического действия метанмонооксигеназы в окислении углеводородов. Обсуждены важные черты карбоксилат-мостиковых ферментов и синтетические подходы для их адекватного моделирования, а также физико-химические методы исследования свойств модельных комплексов в растворе и твердом состоянии. Проанализированы преимущества использования различных типов каркасных лигандов для стабилизации биядерных комплексов железа.
Исследование комплексов методом мессбауэровской спектроскопии проводили совместно с к.х.н. Н.С. Ованесяном (ИПХФ РАН), электроспрей масс-спектроскопические измерения проведены совместно с И. Сулеменковым и к.х.н. В. Козловским (лаборатория проф. А.Ф. Додонова, ФИНЭПХФ РАН), рентгеноструктурные исследования выполнены к.х.н. Ш.Г. Мкояном (лаборатория проф. Л.О. Атовмяна ИПХФ РАН), чл. корр. РАН И.Л. Еременко (ИОНХ РАН, Москва) и prof. C.G. Pierpont (Colorado University, USA). Электрохимические измерения проведены совместно с д.х.н. В.В. Стрельцом и Г.В. Луковой (ИПХФ РАН).