Aromatic hybrid guanidine-stabilized copper complexes and their application as tyrosinase model systems

Paul, Melanie; Herres-Pawlis, Sonja (Thesis advisor); Oppel, Iris Marga (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Die Entwicklung von umweltfreundlichen und effizienten Katalysatoren für Oxidationsprozesse stellt ein langfristiges Forschungsziel dar. Natürlich vorkommende Kupferproteine wie Tyrosinase können Sauerstoff effizient aktivieren. Dabei bilden sie reaktive Kupfer-Sauerstoff-Intermediate, die Phenolase- und Catecholase-Transformationen katalysieren. Synthetische Modellsysteme werden entworfen, um das aktive Zentrum der Tyrosinase nach dem Vorbild der Natur zu imitieren und das Struktur-Wirkungsprinzip des Proteins zu erforschen. Diese Dissertation beschreibt die Entwicklung von Tyrosinasemodellen, die auf aromatischen Hybridguanidinliganden basieren. Die maßgeschneiderten Ligandensysteme verbinden starke σ-Donoreigenschaften der sterisch anspruchsvollen Guanidineinheit mit platzsparenden, schwächeren Amindonoren, die durch ein aromatisches Bindeglied verbrückt sind, um das Ligandenrückgrat zu versteifen. Fünf strukturell verwandte Hybridguanidinliganden wurden entwickelt, um die Ligandenstruktur mit der Reaktivität der entsprechenden Kupferkomplexe zu korrelieren. 29 Kupfer(I)- und Kupfer(II)komplexe mit schwach-koordinierenden und Halogenid-Anionen wurden hergestellt, von denen 15 kristallographisch charakterisiert wurden. Oxygenierungen geeigneter Kupfer(I)komplexe resultierten in der Bildung von Bis(µ-oxido)dikupfer(III)komplexen, die durch UV/Vis-, Resonanz-Raman- und Röntgenabsorptionsspektroskopie, Cryo-ESI Massenspektrometrie sowie DFT-Simulationen analysiert wurden. Die Bildung wurde außerdem durch spektrophotometrische Titration mit Ferrocencarbonsäure quantifiziert. Die Bildungs- und Zerfallsreaktionen wurden umfangreich mittels UV/Vis-Spektroskopie studiert, um den Einfluss des Ligandensystems, der Anionen und verschiedener Additive auf das Modellsystem zu untersuchen. Mehrere Zerfallsprodukte wurden erfolgreich isoliert. Die Hybridguanidin-stabilisierten Bis(µ-oxido)-Spezies sind sehr gut für Tyrosinase-ähnliche Oxygenierungsreaktionen von aromatischen Alkoholen geeignet, da die Hybridliganden die Stabilisierung des Cu2O2 Kerns und die Zugänglichkeit für externe Substrate geschickt balancieren. Zahlreiche Substrate verschiedener Klassen wurden untersucht, um das etablierte Substratspektrum zu erweitern. Viele neue polyzyklische aromatische Alkohole wie Pyridinole, Naphthole, Chinolinole und Indolole wurden in die Tyrosinase-Chemie eingeführt. Durch selektives Hydroxylieren und Oxidieren von Substraten wurden Chinone erzeugt, die ausschließlich als geknickte Phenazine derivatisiert wurden. Die Selektivität der Hydroxylierung wurde durch DFT-Rechnungen mithilfe der Fukui-Funktion prognostiziert. Eine simple Salzmethathese des Katalysators erlaubte Oxygenierungen unter milden Bedingungen, was mit einer erhöhten katalytischen Produktivität einherging. Die katalytische Reaktivität und Selektivität wurde trotz größerer Abschirmung des aktiven Zentrums durch das Ligandensystem aufrechterhalten. Diese systematische Studie öffnet die Tür für künftige Entwicklungen von Tyrosinase-Modellen, um einen tieferen Einblick in die molekularen Mechanismen der Sauerstoffaktivierung und dessen Transfer in biologischen Systemen zu erhalten.

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