Hydrolytic and oxidative catalytic activities of bio-inspired dinuclear metal complexes

Abstract

A number of homo- and heterodinuclear complexes have been synthesized as structural and functional models for the the active sites of phosphoesterases and soluble methane monooxygenases. The complexes are based on four new dinucleating ligands containing a central, potentially bridging, phenolate moiety. The hydrolytic activity of the complexes was examined by exploring the ability of the complexes to catalyze the hydrolysis of (2,4-dinitrophenyl)-phosphate (BDNPP), which functions as a model for DNA. Three dizinc complexes and one heterodinuclear Fe(III)Mn(II) complex were studied. Computational modelling was undertaken to explore the potential reaction mechanisms and the transition states of the phosphoester hydrolysis reactions. Speciation studies based on potentiometric titration coupled with mass spectrometric measurements were used to understand the identities of the active catalysts at certain pH.

Dinuclear oxo-bridged Fe(III) complexes of two new ligands have been studied as catalysts for alkane and alkene oxidations, using hydrogen peroxide/acetic acid as the ultimate oxidant. Low temperature UV-Vis and mass spectrometry techniques suggest that peroxide-bridged diiron intermediates are formed in the oxidation reactions.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Enzymer är en nödvändig del av allt liv på jorden. De katalyserar en stor mängd biologiska reaktioner, som utan enzymer skulle vara mycket långsamma. Det är väl belagt att fastän enzymer är stora och har en komplicerad struktur är det bara en liten del av varje enzymmolekyl som tar del i den kemiska reaktion som enzymet katalyserar. Denna del av enzymet kallas dess aktiva säte. Ofta finns metalljoner (t ex Zn2+, Fe2+, Fe3+, Mn2+, Ni2+, Ca2+ ) i det aktiva sätet,där de spelar en viktig roll i både enzymets struktur och funktion.



Fosfodiesterbindningarna i DNA är stabila i flera miljarder år under normala fysiologiska förhållanden. Det är en av förklaringarna till varför naturen har valt fosfodiestrar som en av byggstenarna i systemet för att spara och hantera genetisk information. Dock behöver organismer effektiva sätt att skapa och bryta fosfodiesterbindningar när de replikerar och använder den genetiska informationen - det vill säga en god katalysator. Fosfoesteraser är enzymer som gör just det, katalyserar hydrolys as fosfodiesterbindningar. De sänker aktiveringsenergin för hydrolysreaktionen och skyndar på så sätt på reaktionen utan att själva förbrukas. Aktiva säten med två (fosfotriesteras, purple acid phosphatase) eller tre (fosfolipas C, nukleas P1) metalljoner är viktiga för reaktiviteten hos den här klassen av enzymer.



Ett annat viktigt enzym som studerats mycket de senaste decennierna är metanmonooxygenas, som katalyserar oxidation av den stabila, elektroniskt mättade, kolvätebindningen i metan. Ett aktivt säte med två järnjoner är ansvarigt för reaktiviteten i detta enzym.



Att förstå detaljerna kring dessa, och andra, enzymers aktiva säten är viktigt dels för att förstå naturen bättre men också för att kunna designa effektiva, billiga och lättanvända katalysatorer. Att isolera och kristallisera enzymerna för att sedan studera deras struktur med röntgendiffraktometri är en rättfram, men i praktiken mycket komplicerad, metod. Ett alternativ är biomimetisk kemi som fokuserar på att syntetisera småmolekylära komplex med ligander och metaller orienterade på ett sätt som liknar det aktiva sätet i enzymet i fråga. Detaljerade studier 92 av dessa komplex och undersökningar av deras katalytiska aktivitet kan ge viktig information om de inneboende egenskaperna hos komplexen, och paralleLler kan dras till relevanta aktiva säten i enzymer.



I min avhandling har jag syntetiserat småmolekylära metallkomplex med syftet att härma de aktiva sätena i fosfoesteraser och den oxiderade versionen av metanmonooxygenas (sMMOHox). Komplexen har karaktäriserats med ett antal spektroskopiska metoder och deras katalytiska aktivitet gentemot modellsubstrat har studerats. För fosfoesterasaktiviteten har en fosfodiester använts som substrat och det visade sig att komplex med två metallatomer är effektivare katalysatorer än motsvarande komplex med en metallatom. Undersökningar av hur den katalytiska aktiviteten beror på pH visar att komplex med två zinkatomer är effektiva hydrolyskatalysatorer i basisk miljö och att en hydroxylgrupp bryggar mellan de två metallatomerna. Datormodellering har också använts för att förstå de troligaste övergångstillstånden vid fosfoesterhydrolys.



För att studera hur syrebryggade komplex med två Fe3+-joner katalyserar oxidativ C-Haktivering, har oxidation av flera alkaner och alkener använts.Försök har även gjorts att karaktärisera den aktiva katalysatorn med hjälp av lågtemperaturmetoder.



Sammanfattningsvis kan sägas att resultaten i den här avhandlingen ger fördjupad förståelse för hur tvåkärniga metalkomplex katalyserar hydrolys av fosfodiesterbindningar och C-H-aktivering.

• author: Das, Biswanath
• supervisor: Ebbe Nordlander
• opponent: Professor McKenzie, Christine, University of Southern Denmark
• organization: Chemical Physics
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Atom and Molecular Physics and Optics
• keywords: Bioinorganic Chemistry, Metalloenzymes, Catalyst, Transition states, Phosphoesterase
• defense location: Hall F Kemicentrum
• defense date: 2013-12-18 13:00:00
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Chemical Physics (S) (011001060)
• id: 712ea61a-159d-4333-bde3-42d7ae152ecb (old id 4174276)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:24:27
• date last changed: 2018-11-21 21:04:39