Samenvatting Modellen voor Niet-Heem IJzer Bevattende Oxidatie

University of Groningen
Models for non-heme iron containing oxidation enzymes
Roelfes, Gerard
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to
cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date:
2000
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Roelfes, J. G. (2000). Models for non-heme iron containing oxidation enzymes s.n.
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the
author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately
and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the
number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
Download date: 18-07-2017
Samenvatting
Modellen voor Niet-Heem IJzer Bevattende
Oxidatie Enzymen
Algemene Achtergrond
IJzer is één van de essentiële elementen voor alle levende wezens. Heel veel belangrijke
functies in organismen worden vervuld door ijzer bevattende eiwitten. De bekendste
voorbeelden hiervan zijn ongetwijfeld hemoglobine en myoglobine, die het transport van
zuurstof van de longen naar de rest van het lichaam verzorgen. Maar behalve bij
zuurstoftransport zijn ijzer bevattende eiwitten ook betrokken bij de katalyse van belangrijke
reacties in cellen. Als een eiwit reacties katalyseert spreken we van een enzym. De reacties
die door ijzer bevattende enzymen gekatalyseerd worden zijn voornamelijk oxidatie reacties:
reacties van zuurstof met substraten waarbij elektronen (oxidasen) of zuurstof atomen
(oxygenasen) overgedragen worden. Enzymen kunnen weer onderverdeeld worden in twee
klassen, afhankelijk van hoe het ijzer gebonden wordt. In hogere organismen, zoals
bijvoorbeeld mensen, wordt vaak gebruik gemaakt van een hulpgroep, een zogenaamde
prothetische groep, om het ijzer te binden. Vaak is dit een heem groep en we spreken dan ook
van heem enzymen. In lagere organismen zoals veel bacteria wordt het ijzer direct aan de
eiwitketen gebonden. In dit geval spreken we van niet-heem enzymen. Deze laatste klasse
komt in dit proefschrift aan de orde.
Een van de methoden die gebruikt kan worden om de werking van een enzym te bestuderen is
gebaseerd op zogenaamde enzymmodellen. Dit zijn synthetische verbindingen die de
zogenaamde active site, de plaats in een enzym waar een reactie plaatsvindt, nabootsen. Ze
bestaan vaak uit een organisch molecuul, een zogenaamd ligand, dat gebonden is aan een of
meerdere metaal ionen, in dit geval ijzer. Voordelen van enzymmodellen zijn onder meer dat
ze, in tegenstelling tot enzymen, gemakkelijk in grote hoeveelheden te verkrijgen zijn. Verder
zijn ze door hun geringe grootte veel gemakkelijker te bestuderen. De informatie die dit
oplevert kan gebruikt worden om de werking van enzymen beter te begrijpen. Tenslotte kan
een succesvol enzymmodel het startpunt zijn voor de ontwikkeling van een nieuwe generatie
oxidatie katalysatoren, die net als enzymen met grote snelheid en hoge selectiviteit substraten
kunnen oxideren onder milde condities, gebruik makend van schone oxidanten als zuurstof of
waterstofperoxide. Dit is onder meer interessant omdat veel van de oxidatie methoden die
tegenwoordig nog gebruikt worden in de synthetische chemie behalve het gewenste product
ook veel bijproducten geven, terwijl met zuurstof of waterstof peroxide in principe alleen
water als bijproduct gevormd wordt.
Doelstelling van het Onderzoek
Het onderzoek beschreven in dit proefschrift werd geïnitieerd door de ontdekking in onze
groep van een paars gekleurd intermediair in de reactie van het ijzer(II) complex van het
ligand “N4Py” (figuur 1a) met waterstof peroxide. Dit paarse intermediair kon
139
Samenvatting
gekarakteriseerd worden als een low-spin ijzer(III) hydroperoxide intermediair,
[(N4Py)FeOOH]2+ (1, figuur 1b). Dit type intermediair speelt ook in natuurlijke systemen een
belangrijke rol. Bijvoorbeeld, het is bewezen dat een dergelijke structuur ook voorkomt in de
actieve vorm van het anti-tumor medicijn bleomycine, “activated bleomycin” genaamd.
A
B
N
N
N
N
N
N4Py
O
H
O
N FeIII N
N
N
N
[(N4Py)FeIIIOOH]2+
1
Figuur 1. (a) Het N4Py ligand. (b) Het low-spin ijzer(III) hydroperoxide intermediair.
De doelstelling van dit onderzoek was om de chemie van ijzer complexen op basis van N4Py,
en derivaten hiervan, verder te verkennen. De nadruk lag hierbij op twee aspecten: ten eerste
de mogelijkheden van N4Py ijzer complexen als enzymmodel en ten tweede de ontwikkeling
van nieuwe selectieve oxidatie katalysatoren op basis van het N4Py ligand.
De Chemie van N4Py IJzer Complexen
Het onderzoek naar de chemie van N4Py ijzer complexen is beschreven in hoofdstukken 2, 3
en 4 en op basis van de resultaten in deze hoofdstukken kon een katalytische cyclus opgesteld
worden, die beschreven is in hoofdstuk 8 (schema 1).
In hoofdstuk 2 wordt de synthese en karakterisatie van een serie ijzer(II) en ijzer(III)
complexen en hun relatie tot elkaar en tot het ijzer(III) hydroperoxide intermediair
beschreven. Hierbij kon aangetoond worden dat het paarse ijzer(III) hydroperoxide
intermediair in twee stappen gevormd wordt van het “basis” ijzer(II) complex 2, namelijk
eerst oxidatie van het ijzer(II) complex tot een mengsel van ijzer(III) verbindingen 3 en 4, die
met elkaar in evenwicht zijn, gevolgd door een ligand uitwisselingsreactie met
waterstofperoxide. Als de reactie wordt uitgevoerd in methanol als oplosmiddel kan ook
ligand uitwisseling plaatsvinden waardoor een ijzer(III) methoxide complex 5 gevormd
wordt.
In hoofdstuk 3 wordt de verdere karakterisatie van het ijzer(III) hydroperoxide intermediair
beschreven. Met behulp van resonantie Raman spectroscopie, wat voor het eerst succesvol
toegepast werd op een dergelijk intermediair, werd duidelijk dat de O-O binding in het
intermediair veel zwakker is dan in alle tot dan toe bekende ijzer peroxide complexen. Dit
zou een verklaring kunnen zijn voor de hoge reactiviteit van het intermediair. Als dit paarse
intermediair behandeld wordt met base wordt een nieuw, blauw gekleurd, intermediair
gevormd. Deze reactie is volledig omkeerbaar: door toevoegen van zuur kan de paarse kleur
volledig terug gevormd worden. Met behulp van een scala aan spectroscopische technieken
werd dit blauwe intermediair gekarakteriseerd als een high-spin ijzer(III) peroxide complex,
140
Modellen voor Niet-Heem IJzer Bevattende Oxidatie Enzymen
[(N4Py)Fe-η2-(OO)]+ (7). Resonantie Raman spectroscopie van dit intermediair, gemaakt met
behulp van gemengd gelabeld waterstof peroxide, H16O18OH, bewees dat het peroxide “sideon” gebonden is. Dat wil zeggen dat beide zuurstof atomen aan het ijzer gebonden zijn. Een
belangrijke observatie was dat het paarse intermediair wel reactief is in katalytische oxidatie
reacties en het blauwe intermediair niet. Dit is het eerste experimentele bewijs voor de theorie
dat een ijzer-peroxide intermediair in enzymen geactiveerd wordt door protonering.
[(N4Py)FeII(CH3CN)]2+
2
0.5 H2O2
ROH + R(O)
O2 of 6
R.
[(N4Py)FeIIIOH]2+
3
MeOH
[(N4Py)FeIIIOMe]2+
5
H2O
H2O
[{(N4Py)FeIII}2(µ-O)]4+
4
RH
H2O2
H2O2
(N4Py)FeIII O
O H
1
[(N4Py)FeIV O]2+ + . OH
6
2+
paars
base
zuur
homolyse
O
(N4Py)Fe
III
+
blauw
O
7
Schema 1. Voorgestelde katalytische cyclus van oxidatie van alkanen gekatalyseerd door
[(N4Py)Fe(CH3CN)](ClO2)2 (2) met H2O2.
In hoofdstuk 4 wordt de reactiviteit van het ijzer(III) hydroperoxide intermediair beschreven.
Het bleek dat 2 behoort tot de meest actieve ijzer gebaseerde oxidatie katalysatoren tot nu toe.
Door een serie model substraten te gebruiken kon worden vastgesteld dat de oxidatie reactie
een radicaal karakter heeft. Dit leidt tot het voorstel dat het ijzer(III) hydroperoxide
141
Samenvatting
homolytische splitsing van de O-O binding ondergaat, waarbij twee radicaal deeltjes gevormd
worden, [(N4Py)FeIVO]2+ (6) en een hydroxyl radicaal ·OH. Deze kunnen dan een waterstof
atoom abstraheren van een substraat molecuul (RH), waarbij een substraat radicaal (R·)
gevormd wordt, dat dan weer onafhankelijk verder reageert naar het product. Door deze
waterstof abstractie wordt weer een mengsel van ijzer(III) deeltjes gevormd, waarschijnlijk 3
en 4, waarmee de cyclus rond is.
Selectieve Katalytische Oxidatie
Een eis voor een praktisch toepasbare oxidatie katalysator is behalve dat het erg actief moet
zijn ook dat het selectief moet zijn. Door het radicaal karakter van N4Py ijzer gekatalyseerde
oxidaties kan niet aan de tweede voorwaarde voldaan worden, aangezien zuurstof radicalen
over het algemeen aselectief reageren. Daarom werd een serie nieuwe liganden
gesynthetiseerd, waarbij het N4Py ligand als uitgangspunt werd gebruikt. In hoofdstuk 5
staan liganden beschreven die net als N4Py pentadentaat zijn, dus die vijf stikstof atomen
hebben die aan het ijzer kunnen binden, maar andere elektronische eigenschappen hebben
dan het N4Py ligand. Met deze liganden werd een serie nieuwe ijzer complexen gemaakt en
gekarakteriseerd. Het kon worden aangetoond dat al deze complexen in aanwezigheid van
waterstof peroxide een ijzer(III) hydroperoxide intermediair vormen, vergelijkbaar met wat in
het geval van N4Py werd gevonden. Verder bleek dat al deze complexen in katalytische
oxidatie met behulp van waterstofperoxide een reactiviteitpatroon vertonen dat vergelijkbaar
is met dat van het N4Py ijzer complex. Hieruit kan geconcludeerd worden dat ijzer
complexen van pentadentaat liganden, ongeacht hun elektronische eigenschappen, sterk
geneigd zijn radicaal chemie te geven.
In hoofdstuk 6 worden liganden beschreven waarin een van de pyridine groepen in het N4Py
molecuul is vervangen door een niet coördinerende groep, waardoor dus een tetradentaat
ligand ontstaat. De ijzer complexen van deze “N3Py” liganden blijken wel in staat te zijn tot
selectieve katalyse, waarbij met name de stereoselectieve hydroxylering van alkanen en
stereoselectieve epoxidatie en dihydroxylering van alkenen erg interessant zijn. Het blijkt dus
dat het aantal vrije coördinatie plaatsen op het ijzer centrum een veel grotere invloed heeft op
de waargenomen reactiviteit dan de elektronische eigenschappen van het ligand. Bovendien
werd in de katalytische oxidatie met deze N3Py ijzer complexen een opmerkelijk
oplosmiddel effect waargenomen, wat het sterkst tot uitdrukking kwam in de dihydroxylering
van alkenen. Als acetonitril als oplosmiddel gebruikt werd voornamelijk cis-dihydroxylering
gevonden. Echter, aceton als oplosmiddel gaf voor een aantal substraten transdihydroxylering als hoofdreactie. Dit betekent dat met een en dezelfde katalysator zowel cisals trans-dihydroxylering bereikt kan worden, door alleen maar het oplosmiddel te variëren.
De oorzaak van deze unieke eigenschap is op dit moment nog onduidelijk.
Knippen van DNA
De anti-tumor werking van ijzer bleomycine berust op het feit dat het in staat is om DNA te
knippen met behulp van zuurstof, waardoor een cel sterft. Gezien de overeenkomsten tussen
142
Modellen voor Niet-Heem IJzer Bevattende Oxidatie Enzymen
ijzer bleomycine en N4Py ijzer complexen werd besloten om deze laatste ook te testen in het
knippen van DNA. Het bleek dat dit inderdaad mogelijk was, met alleen zuurstof als oxidant.
Bleomycine maakt echter gebruik van een DNA bindende groep, waardoor het actieve ijzer
gedeelte vlakbij het DNA gebracht wordt. Dit ontwerpprincipe werd ook toegepast op N4Py
complexen, zoals beschreven is in hoofdstuk 7. Er is een N4Py variant gesynthetiseerd
waarbij een DNA bindende groep, in dit geval een acridine, via een korte spacer aan het
N4Py ligand bevestigd is. Het bleek dat het ijzer complex van deze verbinding erg actief was,
waarbij bijzonder opmerkelijk is dat het in staat is om instantaan DNA te knippen met behulp
van zuurstof, zonder dat er een reductant toegevoegd hoeft worden. Hiermee is dit complex
het meest efficiënte synthetische DNA knippende molecuul dat op dit moment bekend is.
Conclusies
Zoals genoemd aan het begin was de doelstelling van dit onderzoek om de chemie van N4py
ijzer complexen en derivaten hiervan verder uit te zoeken, met de nadruk op de rol van N4Py
complexen als enzym model en de ontwikkeling van nieuwe oxidatie katalysatoren op basis
van N4Py. Het kan geconcludeerd worden dat deze doelstellingen gehaald zijn. N4Py ijzer
complexen blijken uitstekende enzym modellen te zijn en de studie van deze complexen heeft
veel informatie opgeleverd, met name wat betreft de reactieve intermediairen, die van nut is
om de werking van niet-heem ijzer bevattende enzymen te verklaren.
Verder zijn op basis van N4Py nieuwe oxidatie katalysatoren ontwikkelt die in staat zijn om
selectief substraten te oxideren. Hoewel deze katalysatoren nog niet echt geschikt zijn om in
de organische synthese toegepast te worden, konden op basis van de resultaten in dit
proefschrift en die recentelijk in de literatuur verschenen een aantal empirische regels
opgesteld worden voor het ontwerpen van liganden (zie hoofdstuk 8). De verwachting is dan
ook dat de komende jaren de eerste voorbeelden van katalysatoren die toegepast kunnen
worden in synthetische chemie in de literatuur zullen verschijnen. Gesteld kan worden dat
vanwege hun enorme veelzijdigheid, relatief goede toegankelijkheid en hun goede stabiliteit
niet-heem ijzer complexen de oxidatie katalysatoren van de toekomst zullen zijn.
143