БИЯДЕРНЫЕ ЖЕЛЕЗОНИТРОЗИЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ С МОСТИКОВЫМИ ТИОЛАТНЫМИ ЛИГАНДАМИ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.01, кандидат наук ДАВИДОВИЧ ПАВЕЛ БОРИСОВИЧ

• ДАВИДОВИЧ ПАВЕЛ БОРИСОВИЧ
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук ДАВИДОВИЧ ПАВЕЛ БОРИСОВИЧ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Равновесие тиол-дисульфид

1.2 Монооксид азота

1.3 Б-нитрозотиолы

1.4 Тиолат-содержащие координационные соединения железа

1.5 Взаимодействие железосерных кластеров с монооксидом азота

1.6 Взаимодействие растворов солей железа(11) с монооксидом азота

1.7 Нитрозильные координационные соединения железа

1.7.1 Железо-мононитрозильные комплексы

1.7.2 Динитрозильные комплексы

1.8 Заключение

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Реактивы и инструментальные методы анализа

2.2 Методика проведения ВЭЖХ эксперимента

2.3 Молекулярное моделирование

2.4 Методики синтеза

2.4.1 Синтез биядерных нитрозильных комплексов железа

2.4.2 Получение Б-нитрозотиолов

3.1 Синтез биядерных динитрозильных комплексов железа

3.2 Конкурентные реакции нитрозилирования

3.3 Строение биядерных динитрозильных комплексов железа

3.4 Влияние заместителей на электронное строение остова ДНКЖ

3.5 Возможные пути формирования биядерных динитрозильных комплексов железа в растворах ROH

3.6 Способность нитрозильных комплексов железа к селективному окислению тиолов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Приложение Д

Приложение Е

Актуальность и практическая значимость исследований

Сера цистеиновых остатков белков в комбинации с ионами биологически значимых ^-элементов участвует в реакциях переноса электронов, чем обеспечивает протекание большинства процессов жизнедеятельности организма. Одним из важнейших окислительно-восстановительных процессов с участием тиольной серы является так называемый «тиол-дисульфидный статус» организма. К настоящему времени установлено, что этот статус является ключевым фактором многих клеточных сигнальных каскадов, а также процессов метаболизма и поддержания гомеостаза. Сущность этого статуса заключается в обратимых переходах тиолов в их окисленную дисульфидную форму 2•RSH - 2e ^ (RS)2+ 2^ [1]. Основным фактором, приводящим к нарушению тиол-дисульфидного статуса, являются активные формы кислорода, взаимодействие с которыми приводит к переокислению тиолов. С другой стороны, взаимодействие монооксида азота, относящегося к активным формам азота, приводит к формированию нестабильных S-нитрозоформ тио-лов RSNO, разлагающихся с образованием дисульфидов (RS)2. Актуальной задачей, стоящей перед прикладной координационной химией, является разработка методов селективного влияния на тиол-дисульфидный статус без формирования переокисленных SH-групп цистеинов до соответствующих сульфиновых (RSO2H) и сульфокислот (RSOзH) [2]. Ранее было показано, что, используя ультрамалые количества биядерных координационных соединений платиновой группы в качестве катализаторов, можно достичь селективного окисления тиолов до их дисульфидных форм [3].

В настоящей работе исследован вопрос возможности участия биядерных тиолатмостиковых динитрозильных координационных соединений железа в реакциях селективного окисления биотиолов до их дисульфидных форм.

Степень разработанности

На сегодняшний день не ясно, можно ли селективно 8-нитрозилировать биотиолы при помощи нитрозильных комплексов железа и тем самым косвенно влиять на равновесие тиол-дисульфид. Для изучения процесса 8-нитрозилирования необходимо разработать методику, позволяющую удобным способом регистрировать продукты реакции ДНКЖ с биотиолами. Варьируя заместитель при мостиковой сере, можно оказывать влияние на свойства комплексов [Бе2(ц-8К)2(КО)4], в том числе и на их реакционную способность. Сегодня информация о влиянии заместителя Я на стереоэлектронные свойства остова комплексов является не полной и не носит систематического характера, что требует проведение дополнительных исследований. Получение комплексов [Бе2(ц-8К)2(КО)4] со сложными функциональными заместителями Я влечёт за собой необходимость разработки новых эффективных и простых методов их синтеза.

Цель работы состояла поиске новых путей синтеза биядерных тиолат-мостиковых нитрозильных соединений железа общей формулы [Ге2(ц-8К)2(КО)4] и исследовании способности этих комплексов участвовать в реакциях окисления модельных биотиолов. Задачи исследования включали:

- разработку методик синтеза биядерных тиолат мостиковых нитрозо-соединений железа типа [Ге2(ц-8К)2(КО)4] со следующими мостиковыми ли-гандами, заметно различающимися стереоэлектронными свойствами: и-Рг8Н, РЬ2СН8И, Бп8Н, фурфурил-8Н, тиенил-СН2-8Н, РИ3С8Н, Н-С6Н138Н, цикло-СбНп8Н, ЛёСН28Н, К-КН-СН2-СН2-8Н (Я= Ас, Бос), а также получение монокристаллов, пригодных для проведения рентгеноструктурного анализа (РСА);

- установление зависимости влияния заместителя Я на электронное строение комплексов [Ге2(ц-8К)2(КО)4] методом рентгенофотоэлеткронной спектроскопии (РФЭС) и квантовохимических расчётов;

- проведение квантовохимических DFT расчётов для моделирования возможных путей формирования комплексов [Fe2(^-SR)2(NO)4];

- исследование процесса окисления модельных трипептидов до их дисульфид-ных форм в присутствии комплексов [Fe2(^-SR)2(NO)4] методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ).

Научная новизна

Выделено 16 железо-нитрозильных комплексов общей формулы ^е2(^-SR)2(NO)4], где R = и-Р^, Ph2CHSH, PhзCSH, BnSH, фурфурил-SH, тиенил-СH2-SH, н-C6HlзSH, цикло-СбНцЪН,, AdCH2SH, R'-NHCH2CH2-SH (R' = Ас, Вос). Структуры соединений, содержащих мостиковые группы и-Ргё, Ph2CHS, BnS, фурфурил^, тиофенил-S, н-C6HlзS и Ac-NHCH2CH2S, установлены методом РСА, а также выделен и структурно охарактеризован п-монометокситритил^-нитрозотиол MeOPh3CS-NO.

Показана способность комплексов [Fe2(^-SR)2(NO)4] к окислению тиолов до дисульфидной формы за счёт реакции транс-нитрозилирования.

На основании данных квантовохимических расчётов предложена гипотеза о наиболее вероятном пути формирования [Fe2(^-SR)2(NO)4] в водных и спиртовых растворах.

Теоретическая и практическая значимость

Полученные за время выполнения исследований данные вносят теоретический вклад в представления о способах формирования железо-нитрозильных комплексов [Fe2(^-SR)2(NO)4], а также структуре и реакционной способности этих соединений.

Практическая значимость исследования состоит в том, что выделенные координационные железо-нитрозильные соединения могут быть предложены для разработки медикобиологических препаратов, оказывающих влияние на тиол-дисульфидный статус организма.

Методология и методы исследования

Диссертационная работа построена по следующему принципу: 1) изучение возможных путей формирования биядерных тиолатмостиковых нитро-зильных комплексов железа; 2) разработка новых методов получения этих комплексов; 3) изучение влияния заместителя при мостиковой сере на сте-реоэлектронное строение комплексов; 4) изучение способности ДНКЖ участвовать в реакциях 8-нитрозилирования и окисления биотиолов.

В работе использованы ряд современных экспериментальных методов исследования структуры соединений, таких как: РСА, РФЭС, ЯМР, ЯГР, УФ спектроскопия, ИК спектроскопия. Методом ВЭЖХ исследовалась способность изучаемых ДНКЖ участвовать в реакциях S-нитрозилирования и окисления биотиолов. Метод квантовохимических ОБТ расчётов был использован для исследования путей формирования биядерных ДНКЖ с тиолатными мостиками.

На защиту выносятся следующие положения:

1. методики синтеза биядерных тиолат-мостиковых комплексов железа, содержащих различные тиоловые лиганды;

2. результаты РСА для комплексов [Ге2(ц-8К)2(КО)4] где ц-8Я: и-Рг8, РИ2СН8, Бп8, фурфурил-8, тиенил-СН2-8, н^Н^, Ас^НС^С^^, а также 8-нитрозотиолов (ЫеОРЬ)РИ2С8-КО;

3. результаты РФЭС и квантовохимических исследований влияния природы заместителя Я на электронное строение соединений;

4. результаты ВЭЖХ исследования гомогенного окисления модельных пептидов (01иСуБ01у и ЬусСуБ01и) комплексам [Бе2(ц-8К)2(КО)4] в водной среде.

Достоверность полученных результатов

Достоверность работы и обоснованность её выводов подтверждается воспроизводимостью экспериментальных данных и высокой степенью схо-

димости результатов, полученных с использованием различных современных методов исследования.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «БИЯДЕРНЫЕ ЖЕЛЕЗОНИТРОЗИЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ С МОСТИКОВЫМИ ТИОЛАТНЫМИ ЛИГАНДАМИ»

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на ХХ1У-ХХУ1 Международных Чугаевских конференциях по координационной химии (Санкт-Петербург 2009, Суздаль, 2011, Казань 2014); V и VI Всероссийской конференции студентов и аспирантов (Санкт-Петербург 2011, Санкт-Петербург 2013); 5-ом юбилейном конкурсе молодых учёных, посвящённом Международному году химии, в рамках Международной выставки «Химия-2011» (Москва, 2011), VII Всероссийской конференции по химии полиядерных соединений и кластеров «Кластер-2012» (Новосибирск 2012), XV молодёжной школе-конференции по органической химии (Уфа 2012).

Работа выполнена при поддержке: Правительства Санкт-Петербурга победителям конкурса грантов для студентов ВУЗов, аспирантов ВУЗов, отраслевых и академических институтов, расположенных на территории СПб; программы Президиума РАН «Фундаментальные науки - медицине» в 2012-2014 гг., а также Правительства России для государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих учёных в российских ВУЗах (грант № 14.В25.31013).

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, обсуждения результатов, выводов и приложений. Работа изложена на 127 страницах машинописного текста и содержит 67 рисунков и 16 таблиц. Список цитируемой литературы включает 167 наименований.

1.1 Равновесие тиол-дисульфид

Тиол-дисульфидных статус является ключевым фактором, влияющим на стабильность протекания жизненных процессов в клетках. Многое белки содержат остатки цистеина в активном сайте, окисление которого может сопровождаться нарушением функции белка. Свободные SH-группы цистеинов могут окисляться либо до дисульфидной формы, либо до так называемых переокисленных форм оксо-сульфокислот. С другой стороны, некоторые белки требуют окисления остатков цистеина до дисульфидных форм для приобретения белком необходимой конформации. В работах [1,4] показано, что для нормальной работы организма требуется, чтобы в организме поддерживалось определенное равновесие между восстановленной формой тиолов (Я8Н) и окислёнными дисульфидными формами (Я8)2. Различные нарушения клеточного равновесия могут приводить к так называемому «окислительному стрессу», сопровождающимся синтезом активных форм кислорода, которые склонны к необратимому переокислению тиолов до оксо-сульфокислот [5].

Последнее время все больше внимания уделяется так называемым активным формам азота, в особенности монооксиду азота (КО) [6]. Считается, что молекулы КО могут оказывать влияние на тиол-дисульфидный статус за счёт формирования неустойчивых 8-нитрозотиолов, селективно переходящих в дисульфидную форму.

Ионы железа могут взаимодействовать с пероксидом водорода с образованием активных форм кислорода или с тиолами, приводя к их окислению. Восстановленное железо Бе2+ может взаимодействовать с КО и тиолами, образуя нитрозильные комплексы, которые могут участвовать в процессах переноса КО в организме и таким образом оказывать влияние на тиол-дисульфидный статус.

1.2 Монооксид азота

Монооксид азота при нормальных условиях является газообразным веществом, однако при пониженных температурах (в жидкой и твёрдой фазах) монооксид азота, N0, преимущественно находится в димерном состоянии N202, образующемся за счёт неспаренных электронов молекул N0. Считается, что это состояние характеризуется наличием промежуточных связей, находящихся по энергии между ковалентными и Ван-Дер-Ваальсовыми [7].

Малые размеры (длина связи Я№0 = 1.154 А) позволяют N0 легко растворяться в большинстве растворителей и диффундировать через различные мембранные барьеры [8,9]. Подробное описание реакционной способности N0 представлено в работе Хартунга [10].

Монооксид азота является радикалом с неспаренным электроном на высшей занятой п*-разрыхляющей молекулярной орбитали [11] (рисунок 1.2.1):

Рисунок 1.2.1 Диаграмма МО монооксида азота

Наличие неспаренного электрона обуславливает высокую реакционную способность этой молекулы. Радикал -N0 с атомом азота в промежуточной степени окисления легко вступает в реакции как восстановления до нитрок-сильного аниона N0, так и окисления до катиона нитрозония N0+. Для мо-

нооксида азота измерены стандартные электродные потенциалы ЯеёОх переходов [12,13]:

• "N0

• "N0 + е-

• "N0 + е-

N0+ + е-

3Ш" ; ^О" ;

Е1/2 = -1.21 В

Е1/2 = + 0.39 В, для Б = 1

Е1/2 = + 0.39 В, для Б = 0

Триплетное состояние (3=1) является основным для N0" и лежит на ~ 0.81 эВ ниже по энергии, чем синглетное (Б=0) [14]. Дополнительный электрон в триплетном состоянии занимает вторую п-разрыхляющую МО, как это показано на рисунке 1.2.2:

Рисунок 1.2.2 Диаграмма МО NO+/0/" частиц [15] Монооксид азота, как правило, получают разложением солей азотистой кислоты или за счёт окислительно-восстановительных реакций самой азотной кислоты. В организме человека N0 является одной из ключевых сигнальных молекул, продуцируемых ферментами N0-синтазами [16]. За открытие роли N0 в клеточных сигнальных каскадах в 1998 г. была присуждена Нобелевская премия в области физиологии и медицины [17]. Большое внимание исследованиям реакционной способности N0 по отношению к клеточным мишеням организма уделяется и в настоящее время [14].

По совокупности физико-химических свойств N0 принято относить к так называемым активным формам азота (АФА). В организме основную роль ловушек и переносчиков этой молекулы выполняют железосодержащие фрагменты белков [18] и тиолы [19]. Высокое сродство органических и бионеорганических соединений к молекуле N0 связано с энергетической близостью их граничных МО к ВЗМО монооксида азота.

1.3 8-нитрозотиолы

Тиолы (ЯЗН) легко вступают во многие реакции, проявляя свойства и кислоты, и восстановителя, и нуклеофила (например, при комплексообразо-вании) в зависимости от природы действующего партнёра [20]. Поэтому кислотные свойства ЯЗН и способность к координации тиолатных анионов Я^-являются ключевыми характеристиками при изучении тиолат-содержащих координационных соединений [21]. Как было отмечено ранее, тиолы выполняют функцию депо и транспорта монооксида азота в организме [22, 23] и могут выступать в этой роли в виде S-нитрозо форм биогенных тиолов (RSN0), например, таких, как самый распространённый биотиол глутатион (GSH), способный образовывать стабильную S-нитрозоформу [24]. S-нитрозотиолы проявляют широкий спектр биологических активностей, являясь участниками процессов клеточной передачи сигналов и запрограммированной клеточной гибели. Следует отметить, что образование S-нитрозоформ белков приводит к ингибированию ключевых участников карциногенеза и воспалительных процессов [2].

S-нитрозотиолы (тионитриты) являются эфирами, образованными тио-лами и азотистой кислотой. Синтетически ^^N0 могут быть получены непосредственно нитрозилированием тиолов или из молекул, разлагающихся с образованием S-нитрозоформы, например, из оксотиазолидиновых производных [25]:

ЯБИ нитрозилируются производными спиртов (КОЫО), азотистой кислотой (ИОЫО), тетрафторборатом нитрозония (КОВР4) и с газообразным монооксидом азота [26]. Способность тиолов вступать в реакцию нитрозилиро-вания, а также стабильность нитрозилированных форм существенным образом зависят от стереоэлектронного строения тиолов.

В 2012 году [27] был охарактеризован самый маленький из возможных нитрозотиолов - тиоазотистая кислота ИБЫО, являющаяся продуктом нитро-зилирования сероводорода [28]. В работе [27] ИБЫО был получен не только нитрозилированием сероводорода азотистой кислотой, но и за счёт обменной реакции (транс-нитрозилирования) с Б-нитрозоглутатионом.

В работе [29] предложен механизм, по которому Б-нитрозотиолы вступают в реакцию транс-нитрозилирования через промежуточное димерное состояние, где тиолатный анион первой молекулы нуклиофильно атакует атом азота нитрозилированного тиола КБЫО, как это показано на рисунке 1.3.1:

Рисунок 1.3.1 Схема формирования переходного состояния реакции транс-

Электрофильное присоединение ионов металлов к атому серы в КБЫО и формирование связи М-Б проводит к ослаблению связи Б-ЫО и её гомолити-ческому разрыву, сопровождающемуся выделением газообразного монооксида азота. Таким образом, стабильность ЯБЫО может рассматриваться как функция координационной способности тиолов/тиолатных лигандов, что в свою очередь зависит от электронного и стерического строения тиолов [21].

ЯБЫО могут существовать в виде двух изомерных форм: цис- и транс-конформаций:

о

о

нитрозилирования тиолов [29]

цис- форма транс- форма

Структура RSNO может быть описана в виде резонансной формулы [30]: К N Р. Й^

и• •• .. ..

• • ••

что позволяет рассматривать связь S-N как частично двукратную.

Первичные и вторичные алкильные S-нитрозотиолы R1CH2SNO и R1R2CHSNO существуют преимущественно в виде цис-формы, а тритичные RSNO - в виде транс-конфигурации. От ориентации атома кислорода нитро-зильной группы зависят электронные спектры поглощения RSNO: в цис-конфигурации соединения обладают красной окраской (Х^ ~ 540 нм), а в транс-конфигурации - ярко-зелёной ~ 600 нм) [31,32].

В настоящее время, несмотря на большое внимание, уделяемое RSNO, экспериментальными методами удалось охарактеризовать крайне малое число структур S-нитрозотиолов, что, в первую очередь, связано с низкой стабильностью последних. Принято считать, что стабильность S-нитрозотиолов связана со стерической затруднённостью SNO-фрагмента [33]. Как было показано в работе [34], дополнительный вклад в стабилизацию/дестабилизацию связи S-N может вносить так называемое внешнее электрическое поле, формируемое соседними молекулами. Так, в работе [35] установлена структура S-нитрозоглутатиона в комплексе с белком глутатион-трансферразой, а в статье [36] - транс^-нитрозоцистеина (CysNO) в комплексе с миоглобином. Методом РСА установлена структура только некоторых третичных RSNO, например, S-нитрозо-N-ацетил-пеницилламина и (Ph)зCSNO (рисунок 1.3.2) [37]:

Рисунок 1.3.2 ORTEP представление молекулярной структуры^ (Р^3СБЫО [37] По данным ЭПР-спектроскопии [38] Б-нитрозотиолы диссоциируют преимущественно с образованием тиильных радикалов по гомолитическому механизму:

2Я8ЫО = + 2^ЫО Заместители при а-углероде тиильных радикалов могут приводить к упрочению связи Б-Ы и оказывать влияние на процесс димеризации двух радикалов:

= КБ-БЯ.

Стабильность тиильных радикалов растёт при увеличении электронодонор-ных свойств заместителей в ряду: КИ2С8< Я2ИС8< Я3СБ [38].

В работах [39-42] энергия связи Б-Ы в Б-нитрозотиолах была оценена по данным квантовохимических расчётов, которые показали, что она составляет в среднем 120-130 кДж/моль.

В работе [40] были рассчитаны энергетические барьеры в газовой фазе для изомерных переходов. По данным авторов статьи [40], при достаточно большом барьере изомерного перехода для Е1Б-ЫО (~ 56.7 кДж/моль) разница в энергии ДЕс^аш для первичных тиолов составляет всего лишь 3 кДж/моль, а для третичных - 5 кДж/моль. Для ароматического третичного трифенилметантиола эта разница составляет ~ 50 кДж/моль [37]. Однако

1) Атомы водорода в изображении данных РСА здесь и далее не указываются для простоты восприятия.

природа различий в энергиях конформационных переходов в данных работах не обсуждается.

1.4 Тиолат-содержащие координационные соединения железа

Помимо взаимодействия с NO, другой значимой реакцией тиолов является их координация к ионам железа. Интерес к тиолатным координационным соединениям железа, в первую очередь, обусловлен их распространённостью в живых организмах в виде железосерных кластеров (англ. iron-sulfur clusters) [xFe-yS] [43-45], где x = 1, 2, 3, 4, а y = 0, 2, 4.

Структуры моноядерных комплексов типа Fe(SR)4l- были установлены методом РСА в составе белков рубредоксинов [46]. Железо в составе этих белков образует тетраэдрический остов с четырьмя тиолатными цистеино-выми лигандами, который обратимо претерпевает одноэлектронный RedOx переход:

Fe(Cys-S)4l- ^ Fe(Cys-S>l2-

Железосерные кластеры типа [2Fe-2S] были найдены в составе белков ферредоксинов. В структуре этих кофакторов2) два атома железа, связанные между собой мостиковыми сульфидами, находятся в окружении четырёх остатков цистеина (Cys-S)4Fe2(^-S)2l2- (рисунок 1.4.1):

[Fe2S2]

Рисунок 1.4.1 Графическое представление структур [xFe-yS] в составе белков: A) рубредоксинов [1Fe-0S]; B) [2Fe-2S]-ферредоксинов [43-45]

2) Кофактор - молекула, взаимодействие с которой необходимо для работы белка.

Для соединений железа характерно образование двух основных типов комплексов с тиолатными анионами, различающимися по способу координации лиганда [47,48] (рисунок 1.4.2):

Рисунок 1.4.2 Схематическое изображение способов координации тиолатных лигандов с ионами Fe: А) терминальная координация, Б) мостиковый тип

В комплексах железа тиолатные анионы, как правило, проявляют себя как донорные лиганды [49]. К настоящему времени синтезировано относительно небольшое количество комплексов с остовом Fe(SR)4l2-/-, моделирующих структуру кофактора. При попытках получения комплексов [Fe(SR)4]-возникают сложности в основном из-за протекания внутримолекулярной окислительно-восстановительной реакции между Fe3+ и RS-. Продукт реакции зависит от природы используемого тиола: так, взаимодействие Fe3+ с алифатическими тиолами (SAlk) приводит к образованию малорастворимых производных состава Fe(SAlk)3, а реакция Fe3+ с избытком ароматического тиола (АгёН) приводит к образованию восстановленного комплекса [Fe(SAr)4]2- и соответствующего дисульфида (ArS)2 [47]:

Fe3+ + 3AlkS- = Fe(SAlk)з Fe3+ + 6 ArS- = ре^Аг^]2- + (Агё)ь Способ получения данного типа комплексов c алкильным трет-бутилтиолатным лигандом [Fe(StBu)4]2- представлен в работе [50], где был описан его синтез по реакции обмена между галогенидными и тиолатными анионами:

(Ш^ДОеВ^] + = (NEt4)2[Fe(StBu)4] + 4NaBr

В результате такого типа обменной реакции с галогенидами был выделен и структурно охарактеризован тетраэдрический железо-тиолатный комплекс с тетраметилтиофенолятными лигандами [47] (рисунок 1.4.3):

Рисунок 1.4.3 ORTEP представление молекулярной структуры [Fe(S-2,3,5,6-Me4-C6H)4]- [51] Комплексы [Fe(SR)4]- могут быть также получены из четырёх эквивалентов литиевой соли тиола и хлорида железа(Ш):

FeQз + 4 LiSR = Li[Fe(SR)4] + 3 Lia Другой подход к получению комплексов типа [Fe(SR)4]- представлен в работах [51,52], в которых соединения были получены замещением алкого-лятных лигандов на тиолатные:

+ 4RSH = [Fe(SR)4]- + 4ROH Комплексы, моделирующие активный сайт [2Fe-2S]-ферредоксинов, могут быть получены через стадию формирования моноядерных соединений ^^)4]2- [53]:

+ 2S ^ ^2(ц^)2^)4]2- + (RS)2 + 2RS- (1)

]2- + 2S ^ ^(ц^^]2-

2- - - 2-

2[Fe(SR)4]2- + 2HS- + 2MeO- ^ ^2(^)2^)4]^ + 4RS- + 2MeOH (2) Источниками мостикового сульфида, как видно из представленных реакций, может служить как элементарная сера, так и самый простой тиолат -сероводород. Важно отметить, что H2S является эндогенно синтезируемой сигнальной молекулой, а предложенная схема может реализоваться непосредственно в клетках живых организмов. Таким способом из прекурсора [Fe(SEt)4]2- был получен первый аналог активного сайта ферментов [Fe2(ц-S)2(SEt)4]2- [54]. Методом РСА структурно было охарактеризовано лишь несколько комплексов

общей формулы [Ге^2^Аг)4]2-, в том числе, с Аг = РКМе при мостиковой сере (рисунок 1.4.4):

Рисунок 1.4.4 ORTEP представление молекулярной структуры [Fe2(^-S)2(SPhMe)4]2- [54] Биядерные мостиковые комплексы [Fe2S2(SAr)4]2- были получены также в работе [55] обменной реакцией между N-координированным индолятными лигандами [Fe2(^-S)2(NR)4]2- и ароматическими тиолами:

[Fe2(^-S)2(indolate)4]2- + 4 MeOPhSH = [Fe2(^-S)2(SPhOMe)4]2- + 4 indole

Впервые этот метод был опубликован в работе Мейера с сотр. [56], где описано получение подобным способом нескольких тиолатных соединений типа (Et4N)[Fe2S2(SAr)4] из комплексов (Et4N)[Fe2S2(indolate)4] с выходами от 55 до 80%.

При взаимодействии FeCl24H2O непосредственно c тиолатами щелочных металлов происходит образование комплексов биядерного мостикового строения [Fe2(^-SR)2(SR)4]2-. В случае лиганда 2-пропантиола (iPrSH) его координация в комплексе осуществляется как в терминальном, так и в мости-ковом положениях [57]:

2FeCl2-4H2O + 4iPrSH = ^(^-STrHSTr^]2- + 4HCl

В работе [58] был получен и структурно охарактеризован «смешанный» кристалл [КМе4]2[Ре2(ц-8гБи)2(81Би)4], содержащий комплекс в двух различных конформациях (а и в) (рисунок 1.4.5):

Рисунок 1.4.5 ORTEP представление молекулярных структур изомеров: А) а-[Fe2(^-SrBu)2(SrBu)4]2- и Б) ß-[Fe2(^-StBu)2(SrBu)4]2- [58]

Комплекс получали реакций между растворенным в ДМФА хлоридом желе-за(11), метанольным раствором трет-бутилтиолата натрия и хлорида тетра-метиламмония:

FeCl2 + 6 NaStBu + 2 [NMe4]Cl = [NMe4]2[Fe2(^-StBu)2(StBu)4]

Комплекс в конформации ß (мостиковые тиолаты лежат в плоскости Fe2S2-остова) может быть выделен индивидуально обменной реакцией с N-координированными пиридиновыми лигандами [58]:

2[Fe(C5H5N>Cl2] + 6 NaStBu + 2 [NMe4]Cl = [NMe4]2[Fe2(^-StBu)2(StBu)4] + 6NaCl

В работе [59] методом Мёссбауревской спектроскопии было показано, что в биядерных комплексах [Fe2(^-SEt)2(SEt)4]2- спектр ЯГР состоит из симметричного дуплета c характеристиками Aq = 3.25 mm/s, 5 = 0.7 mm/s, а атомы железа являются эквивалентными и находятся в высокоспиновом состоянии, претерпевая антиферромагнитное спаривание между двумя d-электронами каждого атома, что приводит к уменьшению расстояния DFe-Fe до ~ 3 Ä.

В комплексе P-[Fe2(^-SrBu)2(SrBu)4]2-, возможно, отсутствует спаривание ^-электронов ионов железа, что приводит по данным РСА к удлинению расстояния Fe - Fe до 3.701 Á (рисунок 1.4.5 Б), что по данным DFT расчётов вызывает повышение полной энергии молекулы на ~ 29.4 кДж/моль [58].

Биядерные тиолатмостиковые комплексы железа(11) [Fe2(^-SR)2(SR)4]2-могут быть окислены до соответствующего нейтрального комплекса железа(Ш) [Fe2(^-SR)2(SR)4]. Пример образования такого соединения (рисунок 1.4.6) представлен в работе [60], где в качестве окислителя использовалась соль ферроцения FcPF6:

2

Рисунок 1.4.6 Схематическое представление процесса окисления

[Fe2(^-SR)2(SR)4]2- [60] Следует отметить, что подобное восстановление не ведёт к внутримолекулярному окислению тиолатных лигандов до дисульфидных форм, как в случае с металлами платиновой группы [3].

Таким образом, на основании представленных работ можно сделать вывод, что взаимодействие тиолатных лигандов с ионами железа (II/III) приводит к образованию стабильных соединений с двумя тиолатными мостиками ц-SR и не сопровождается окислением этих лигандов до дисульфидной формы (SR)2.

Известно, что при взаимодействии NO с [xFe-yS]-кластерами происходит формирование нитрозильных комплексов железа (НКЖ) [61,62]. В работе [63] методом ИК спектроскопии показано, что при нитрозилировании ^е-2S]-ферредоксина (Fd) происходит формирование динитрозильных комплексов железа (ДНКЖ) моно- и биядерного строения, что фиксировалось по характеристическим колебаниям нитрозильного лиганда при 1815 (моно-) и 1782 (ди-) см-1. Авторы [63] показали, что для протекания реакции необходимо наличие в среде окислителя, например, О2 или йодацетамида IAm. Мо-стиковый сульфид в результате реакции окисляется до элементарной серы. Образование моно- или биядерных комплексов является функцией рН: при физиологическом значении ~7.5 идёт преимущественно формирование комплексов биядерного строения [Fe2(ц-Cys)2(NO)4], а при более низком значении 6.0 - моноядерных комплексов [Fe(Cys)2(NO)2]- [63] (рисунок 1.5.1):

—■—1—■—!—•—г—■—?—

1900 1650 1800 1750 1700 ' ен-1

Рисунок 1.5.1 А) схематическое представление формирования ДНКЖ; В) ИК спектры продуктов нитрозилирования [2Fe-2S]-ферредоксина [63]

Процесс нитрозилирования [2Ее-28]-кластера является химически обратимым. Нитрозильные комплексы могут переходить в исходный [2Бе-28]-кластер в присутствии источника серы и молекулярного кислорода (рисунок 1.5.2):

Рисунок 1.5.2 Предложенные схемы обратимых переходов ДНКЖ в

[2Ее-28]-кластеры [64]

Таким образом, из работ [63,64] следует, что наличие окислителя, а именно, О2 необходимо как для формирования ДНКЖ, так и для восстановления исходной структуры железосерных кластеров.

Нитрозилирование ^е-28]-кластеров ведёт к формированию моноядерных комплексов [Бе(Су8)2(КО)2]-, которые в присутствии избытка N0 и других тиолатных лигандов могут образовывать биядерные ДНКЖ типа [Ее2(ц-8К)2(№0)4

1.6 Взаимодействие растворов солей железа(11) с монооксидом азота

При пропускании газообразного монооксида азота через водный раствор смеси солей железа(11) (модель так называемого «пула хелатируемого железа» [65]) и тиолов происходит формирование динитрозильных комплексов железа моно- или биядерного строения:

Бе(11) + Я8И + N0® ^ [Бе^)2(Ш)2]7[Бе2(ц-8К)2(Ш)4]

Как было отмечено в работе [66] на примере модельного тиола 08И, склонность к формированию моно- или биядерных комплексов зависит от показателя рН раствора. Авторами [66] было показано, что в анаэробных условиях в кислой и близкой к нейтральной (7.4) средах при десятикратном избытке тиола идёт преимущественно образование биядерных мостиковых

комплексов [Fe2(ц-SG)2(NO)4]. При смещении показателя рН в щелочную область мостиковый комплекс переходит в моноядерное соединение [Fe(SG)2(NO)2]-, что было подтверждено данными ЭПР и УФ-спектроскопии. При понижении рН становиться возможным обратный переход моноядерной формы в биядерную. Аналогичная ситуация наблюдается при использовании цистеина в качестве модельного тиола, однако в этом случае при значении рН = 7.4 доля биядерных комплексов несколько ниже [67]:

Fe(П) + CysSH + ^ [Fe2(ц-SCys)2(NO)4] pH = 7.4

Fe(П) + 20 CysSH + NO(g) ^ [Fe(ц-SCys)2(NO)2]- pH = 7.4

Fe(П) + CysSH + NO(g) ^ [Fe(ц-SCys)2(NO)2Г pH = 9-10

В присутствии избытка тиолатных лигандов биядерный комплекс переходит в моноядерный [67]:

[Fe2(ц-SCys)2(NO)4] + CysSHизб. ^ [Fe(ц-SCys)2(NO)2Г Переход в биядерный комплекс происходит при взаимодействии комплекса [Fe(ц-SCys)2(NO)2]- с кислородом воздуха [67]:

2 [Fe(ц-SCys)2(NO)2Г + О2 ^ [Fe2(ц-SCys)2(NO)4] + (RS)2 В недавно опубликованной работе [68] авторы на примере соли FeSO4, цистеина и NO(g) предложили возможный механизм формирования ДНКЖ. При рН 5.0 и соотношении реагентов Fe2+/RS-/NO(g) 1/5/30 происходит образование комплексов биядерного строения [Fe2(ц-SCys)2(NO)4], что можно наблюдать по двум характеристическим пикам полос поглощения в УФ спектрах при 312, 362 и плече при 434 нм (рисунок 1.6.1):

Рисунок 1.6.1 УФ-спектры продуктов нитрозилирования растворов железа и ци-

стеина [68]

При значении рН = 7.4 и соотношении Ее2+/К8-^0(ё), равным 1/5/10, идёт формирование биядерных комплексов [Ее2(ц-8Сув)2^0)4]. Избыток ци-стеина приводит переходу комплекса [Ре2(ц-8Сув)2^0)4] в моноядерное соединение [68]:

[Ее2(ц-8Сув)2(№0)4] + СуБ8Иизб. ^ [Fe(8Cys)2(N0)2]-

Авторы [68] на основании кинетических исследований предлагают путь формирования ДНКЖ для значений рИ, равных 5.0 и 7.4, представленный на рисунке 1.6.2:

А + Су$5Н Ре"(ИО)(Сух5)* + Н* В ♦ СуъЯН Ре"(ЫО)(Су$5)2 ♦ НС -^ Fe,(NO)(Cy$S) ♦ Суй*

Э + N0-РеЧМО)2(Су$5)

Рисунок 1.6.2 Предложенный механизм образования биядерных ДНКЖ [68]

При добавлении N0 к аквакомплексу ^еп(И20)6]2+ в УФ спектре образующегося соединения проявляются две полосы поглощения при 340 и 440 нм, характерные для аква-мононитрозокомплекса ^еп(И20)5^0)]2+ (А). При добавлении цистеина идут две последовательные реакции замещения координированных молекул воды на тиолатные лиганды (В,С). Лимитирующей стадией в формировании ДНКЖ является Яеё0х реакция восстановления же-леза(11) до железа(1) и выделения тиильного радикала. К комплексу [FeI(N0)(SCys)] (О) присоединяется вторая молекула N0, в результате чего образуется нестабильный трёх-координационный комплекс [FeI(SCys)(N0)2]-(Е), далее переходящий в устойчивый мостиковый комплекс [FeI2(ц-SCys)2(N0)4].

В растворе с рН 10.0 и соотношении Fe2+/RS-/NO(g) равным 1/5/10 формируется моноядерный ДНКЖ [Fe(SCys)2(NO)2]-, характеризующийся одной полосой поглощения при 400 нм. Для моноядерного комплекса при рН 10.0 после стадии формирования FeI(NO)(Cys) (рисунок 1.6.1 Б, Е) происходит присоединение молекул NO и CysSH:

FeI(NO)(SCys) + Ш + CysH ^ [FeI(NO)2(SCys)2]- + ^ Суммарная схема формирования и взаимных переходов ДНКЖ представлена на рисунке 1.6.3:

Рисунок 1.6.3 Схема взаимных переходов ДНКЖ [68] Так как естественное клеточное содержание биогенных тиолов достигает концентрации 5 мM (избыток по отношению к ионам железа), то можно предположить, что более вероятным является формирование моноядерных комплексов [Fe(SG)2(NO)2]-. С другой стороны, в [14] показано, что в присутствии избытка NO парамагнитные моноядерные комплексы типа [Fe(SR)2(NO)2]- переходят в биядерные нейтральные диамагнитные мостико-вые ДНКЖ:

2[Fe(SR)2(NO)2]- + N0^ ^ ^2(ц^)2(Ш)4] + Таким образом, в зависимости от концентрации RSH, NO или O2 возможно преимущественное образование ДНКЖ либо моно-, либо биядерной структуры. 1.7 Нитрозильные координационные соединения железа

Нитрозогруппа способна координироваться к металлу несколькими способами (рисунок 1.7.1):

Рисунок 1.7.1 Способы координации NO с металлами [69-71]: А) №нитрозил, Б) O-изонитрозил, В) мостиковая ц-^, Г) п2-^ Наиболее часто реализуемым способом образования связи M-NO по мнению авторов работы [72] является координация через атом азота, что связано с локализацией п*-ВЗМО на этом атоме. Однако, для некоторых ком-

плексов рутения [Ru(OH)(NO)(NO2)4]2+ оказалась возможной координация как через азот, так и через кислород [70]. Например, в случае комплексов типа /raw,s-[RuQ(NO)Py4]2+ установлено, что при активации светом нитрозиль-ный лиганд способен переходить от нитрозильной к изо-нитрозильной форме. Авторы отмечают, что этот процесс требует дополнительной фотоактивации [73] и проходит через ряд промежуточных типов координации NO-лиганда, в том числе и через M-NO форму (рисунок 1.7.2):

Координата реакции Рисунок 1.7.2 Представление процесса трансформации Ru-NO ^ Ru-ON (Т -переходное состояние, S - стационарное состояние) [73]

Подобные переходы Ru-NO ^ Ru-ON характерны и для низкоспинового комплекса нитропруссида натрия (НПН) Na2[Fe(CN)5(NO)]. Методом пикосе-кундной ИК спектроскопии было зафиксировано два переходных состояния [Fe(CN)5(n2-ON)]2- и [Fe(CN)5(ON)]2- [74] при активации связи Fe-N ИК или УФ излучением. Эти две формы обладают временем жизни около 100 пс при

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук ДАВИДОВИЧ ПАВЕЛ БОРИСОВИЧ, 2016 год

- 1

■ == г ё в " 1

шя №а5иге1гвл(

Рисунок В.4 ИК спектр для комплекса [Ре2(|-8СРЬ3)2(КО)4]

<

1

) /

МеОН

1

1 сн С13 н ю

{ V, А J и I

т4 8 1 1 ж ® _ 1-Г-. к 1 1 ж

8.5 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0

Рисунок Г.1 1Н ЯМР спектр для комплекса |Те2(|-8С4НзОСН2)2(КО)4] в СБС1з

Я 8 ГО го Ч г4 Ж !С 1.4 1.3 ж о

1 1 1 т 1 1 1

!

Е А

, А /

Л ч А 1 \

А. у и

4.0 3.4 3.0 2.5 3.0 1.5 [.о 0.5

Рисунок Г.2 1Н ЯМР спектр для комплекса |Те2(|-8Нех)2(КО)4] в СБ2СЬ

Таблица Д.1 Энергия связи S-N в S-нитрозотиолах по данным DFT расчётов (B3LYP/cc-PVTZ)

Тиол Изомер Энергия, а.е. Энергия связи, кДж/моль

NO* - -129.9405218 -

HS* -398.7802203 -

HS-NO cis trans -528.7673768 -528.7688310 122.4 126.3

MeS* -438.1117679 131.5 127.7

MeS-NO cis trans -568.1023803 -568.1009154

EtS* -477.4413842 128.3 126.0

EtS-NO cis trans -607.4307713 -607.4298863

i-PrS* -516.7695426 127.8 126.6

i-PrS-NO cis trans -646.7587548 -646.7583017

tBuS* -556.0974928 118.4 122.1

tBuS-NO cis trans -686.0831014 -686.0845337

BnS* -669.2398789 130.3 127.3

BnS-NO cis trans -799.2300387 -799.2288829

Ph2CHS* -900.3658144 120.2 116.9

Ph2CHS-NO cis trans -1030.3521116 -1030.3508607

Ph3S* -1131.4544723 170.0 170.1

Ph3S-NO cis trans -1261.4597372 -1261.4597665

Ph2MeOPhCS* -1246.0487743 97.8 97.6

Ph2(MeOPh)CSNO cis trans -1376.0265335 -1376.0264621

PhS* -629.9104664 130.5 127.7

PhS-NO cis trans -759.9006949 -759.8996415

GS* -1404.5 996 113.7 110.3

GS-NO cis trans -1534.4839147 -1534.4826221

KCE* -1617.6513681

KC(NO)E Cis -1747.6398434 125.9

trans -1747.6390190 123.7

На примере комплекса [Fe2(^-S'Pr)2(NO)4] была исследована способность синтезированных ДНКЖ разлагаться в водных растворах в анаэробных и аэробных условиях. Для определения количества NO использовали сенсорный электрод "amiNO-700" системы (Innovative Insruments, Inc., Tampa, FL, USA). Концентрацию NO для исследуемого комплекса фиксировали в течение ~500 секунд в 1% водном растворе ДМСО c концентрацией донора NO 100 нM. Для калибровки электрохимического сенсора использовали стандартный водный раствор NaNO2 (100 цМ), который добавляли в смесь 0.12 М KI и 2 мл 1 M H2SO4 в 18 мл воды. Все эксперименты проводили в анаэробных и аэробных растворах при температуре 250 С и при pH 6.5; 7.0; 9.0. pH растворов измеряли с помощью мембранного р№ метра "HI 8314" (HANNA instruments, Germany). На рисунке Е.1 представлены экспериментальные зависимости количества NO, выделившегося после растворения комплекса в деаэрированном растворе:

18 16 14

Ате, вес

Рисунок Е.1 Зависимости количества NO, выделившегося после растворения комплекса Обнаружено, комплекс разлагается, генерируя NO без дополнительной термо-, фотоактивации. С ростом pH количество генерированного комплексом N0 уменьшается почти вдвое. Возможно, под действием гидроксил иона меняются свойства комплекса. Максимальное выделение NO в анаэробных растворах при pH 6.5 (12.1 нМ на моль комплекса) наблюдалось спустя 500 секунд после растворения. В аэробных растворах количества NO, выделившегося при растворении комплекса и кинетические зависимости, близки к таковым в анаэробной среде (см. таблицу Е.1).

Таблица Е.1. Количество NO, выделившегося в раствор при разложении комплекса при различных pH в аэробных условиях.

Концентрация NO, нМ

pH 6.5 pH 7.0 pH 9.0

15.4 5.6 5.7