SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN ESTRUCTURAL DE UNA NUEVA ...
1
SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN ESTRUCTURAL DE UNA NUEVA FAMILIA DE COMPUESTOS DE COORDINACIÓN BASADOS EN LIGANDOS DERIVADOS DE AMINOÁCIDOS, Y ESTUDIO DE SU APLICACIÓN COMO ELECTROCATALIZADORES BIOMIMÉTICOS DE NITRITOREDUCTASAS Rey, Juan Manuel 1 ; Movilla, Federico 1 ; Suárez, Sebastián 1 y Di Salvo, Florencia 1 DQIAQF/INQUIMAE-CONICET, FCEN, UBA, Ciudad de Buenos Aires [email protected] Introducción Las metaloproteínas involucradas en procesos de óxido-reducción son fundamentales para el normal desarrollo de cualquier organismo. [1] El uso de compuestos basado en aminoácidos enantioméricamente puros como ligandos para la construcción de sistemas de coordinación biomiméticos, representa una alternativa prometedora para el desarrollo de nuevos catalizadores. [2] En este trabajo se realiza la síntesis, caracterización, y el estudio de las propiedades de una nueva familia de compuestos de coordinación basados en derivados de aminoácidos, usando L-Fenilalanina, L-Alanina y los iones Ni(II), Cu(II) and Zn(II). Por otro lado, se explora el uso de uno de los complejos de Cu(II) como mímico de la enzima nitrito reductasa para la reducción electrocatalítica de nitrito a NO. El complejo C 1 presenta una geometría octaédrica con distorsión de Jahn-Teller (Figura 2). Cuando se remueven los NH 3 por calentamiento, la geometría adoptada es cuadrado plana, obteniéndose el complejo C 2 . Esto es posible gracias a la versatilidad y flexibilidad del ligando, y a la interacción entre los sistemas π y el centro metálico (d Cu···C=C = 3.097 Å), cuya contribución de densidad electrónica fue confirmada por cálculos DFT. En el caso del complejo C 3 , se desarrolla un red unidireccional de enlaces de H entre los carboxilatos de una molécula y el agua del complejo contiguo (Figura 5). Estas interacciones se encuentran complementadas por interacciones π-π y contactos dipolares entre los anillos. La superficie de Hirshfeld [3] confirma la presencia de estas interacciones (zonas rojas en la Figura 6). La huella digital 2D presenta una morfología característica de “doble ala simétrica”, con un pico fino en la región de los enlaces de H, y una gran contribución de las interacciones C-H y H-H. Análisis estructural La estructura de cada complejo fue confirmada por difracción de rayos X de monocristal y por diferentes espectroscopías. Figura 2. Estructuras de C 1 (izquierda) y C 2 (derecha) determinadas por difracción de rayos X de monocristal. Código de colores: C = gris, O = rojo, N = azul, Cu = naranja, (los átomos de hidrógeno fueron omitidos por claridad). Figura 3. Estructuras de C 3 (izquierda), C 4 (centro) y C 5 (derecha) determinadas por difracción de rayos X de monocristal. Código de colores: C = gris, O = rojo, N = azul, Cu = naranja, Zn = violeta, Ni = verde (los átomos de hidrógeno fueron omitidos por claridad). C 3 y C 4 con complejos pentacoordinados con una geometría piramidal (Figue 3). A diferencia del otro ligando, debido a la presencia de un anillo aromático adicional aportado por la L- Fenilalanina, L 2 se encuentra plegado sobre si mismo desarrollando interacciones π-π intramoleculares. Además, no existe ningún plano que contenga tanto al metal como a los átomos de las posiciones ecuatoriales (Figura 4). Se sugiere que la presencia de la molécula de agua coordinada y las interacciones de tipo π-stacking representan una situación desfavorable para la incorporación de un sexto ligando debido al impedimento estérico. Por otro lado, C 5 presenta una geometría octaédrica con una isomería cis con respecto a L 2 . No se observa impedimento estérico en este caso. Figura 4. Plano que contiene los átomos ecuatoriales y el centro metálico en el complejo C 1 (izquierda). No existe este plano en el caso de C 3 (derecha) debido a la estructura distorsionada obtenida. Figura 6. Superficie de Hirshfeld, en la cual se grafica d norm (izquierda), huella digital 2D (derecha arriba) y contribución porcentual de interacciones por par de átomos (derecha abajo) para C 3. Figura 5. Enlaces de H (azul), π-stacking (verde) e interacciones dipolares (rojo) en C 3 . H···H (47,1%) O···H (32,4%) C···H (15,2%) Reducción electrocatalítica de nitrito a NO El centro de de Cu(II) del complejo C 3 (llamado C 3 -ox en este contexto) puede ser reducido electroquímicamente a Cu(I) (C 3 -red - ) para generar NO a partir de nitrito: Figura 8. Espectros UV-Vis de la solución de Mb durante la electrólisis, que muestran un aumento de la absorbancia de las bandas características de la MetMb (408 nm and 504 nm) y una disminución de las de Mb (543 nm). Figura 9. Espectro FTIR del headspace de la electrólisis, que muestra las bandas características del NO centradas a 1876 cm -1 [5] . Figure a. Voltametrías cíclicas de C 3 (7.4 mM) en DMSO (izquierda), con [N(But) 4 PF 6 ] = 0.1 M, carbón vítreo como electrodo de trabajo y Pt como contra electrodo (Inset: gráfico de la corriente vs la raíz cuadrada de la velocidad de barrido). Voltametrías cíclicas cuando se agrega nitrito y ácido benzoico a 100 mV/s (derecha). Conclusiones y perspectivas Cinco nuevos complejos fueron sintetizados a partir de dos nuevos derivados de aminoácidos. A partir de su caracterización se observa que no solo el centro metálico es decisivo para la geometría y el número de coordinación obtenidos, sino también la naturaleza de los ligandos. La versatilidad, flexibilidad y la gran cantidad de interacciones que pueden establecer son determinantes para su formación, y permiten la estabilización de estructuras con geometrías muy variadas. Además, el complejo C 3 mostró actividad de nitrito reductasa, reduciendo NO 2 - a NO. Los estudios cinéticos y el análisis de los parámetros catalíticos se encuentran en proceso, como así también el estudio de la actividad de los otros complejos. Referencias: [1] S. Horrell et Al., Metllomics, 2017, 9, 1470. [2] S. Aoki et Al., Chem. Eur. J. 2009,15, 10570. [3] M.A. Spackman, D. Jayatilaka, CrystEngComm, 2009, 11, 19. [4] J. Laranjinha et Al., Global Journal of Analytical Chemistry, 2011, 2, 6, 272. [5] C.E. Dinerman, G.E. Ewing, The Journal of Chemical Physics, 1970, 53, 2, 626. Cu Cu Cu Zn Ni En la voltametría cíclica de C 3 (Figura 7) se observa una onda redox quasi-reversible a E 1/2 = −0.80 V (vs Fc + /Fc) correspondiente a la cupla Cu(II)/Cu(I), que se corre a E 1/2 = −0.65 V cuando se agrega NaNO 2 . Luego, cuando se agrega la fuente de protones (ácido benzoico), la corriente catódica aumenta como consecuencia del desarrollo de la reacción química. NO 2 - + 2H + + C 3 -red à C 3 -ox + NO + H 2 O La electrólisis se realizó a un potencial fijo de ‒1.0 V vs. Fc + /Fc bajo corriente de argón, con el headspace conectado a una solución fresca de mioglobina (Mb). El NO generado oxida el Fe(II) a Fe(III) produciendo metahemoglobina (MetMb) (Figura 8). Además, se realizó una electrólisis en un vial sellado y se analizó el gas del headspace por espectroscopía FTIR (Figura 9), confirmando la presencia de NO. Síntesis 2 L 1 + CuSO 4 NH 3 calor 2 L 2 + Zn(Ac) 2 MeOH H 2 O Figura 1. Esquema de la síntesis de los ligandos y los complejos. Complejo Octaédrico [Cu(L 1 ) 2 (NH 3 ) 2 ] = C 1 = Complejo Cuadrado plano [Cu(L 1 ) 2 ] = C 2 = M = Cu (C 3 ), M = Zn (C 4 ) Complejo Octaédrico [Zn(L 2 ) 2 (H 2 O)] = C 4 = 2 L 2 + 2 KOH + CuSO 4 MeOH [Cu(L 2 ) 2 (H 2 O)] = C 3 = 2 L 2 + 2 NaOH + NiNO 3 [Ni(L 2 ) 2 (H 2 O) 2 ] = C 5 = MeOH DMF R R R NaOH / MeOH Reflujo NaBH 4 MeOH L 1 à R = CH 3 L 2 à R = Ph Ligandos (L 1 & L 2 ) Pirámide de base cuadrada Pip =
Transcript of SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN ESTRUCTURAL DE UNA NUEVA ...
SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN ESTRUCTURAL DE UNA NUEVA FAMILIA DE COMPUESTOS DE COORDINACIÓN BASADOS EN LIGANDOS DERIVADOS DE AMINOÁCIDOS, Y ESTUDIO DE SU APLICACIÓN COMO
ELECTROCATALIZADORES BIOMIMÉTICOS DE NITRITOREDUCTASASRey, Juan Manuel1; Movilla, Federico1; Suárez, Sebastián1 y Di Salvo, Florencia1
DQIAQF/INQUIMAE-CONICET, FCEN, UBA, Ciudad de Buenos Aires [email protected]
IntroducciónLas metaloproteínas involucradas en procesos de óxido-reducción son fundamentales para el normal desarrollo de cualquier organismo.[1] El uso de compuestos basado en aminoácidosenantioméricamente puros como ligandos para la construcción de sistemas de coordinación biomiméticos, representa una alternativa prometedora para el desarrollo de nuevos catalizadores.[2] En estetrabajo se realiza la síntesis, caracterización, y el estudio de las propiedades de una nueva familia de compuestos de coordinación basados en derivados de aminoácidos, usando L-Fenilalanina, L-Alaninay los iones Ni(II), Cu(II) and Zn(II). Por otro lado, se explora el uso de uno de los complejos de Cu(II) como mímico de la enzima nitrito reductasa para la reducción electrocatalítica de nitrito a NO.
El complejo C1 presenta una geometría octaédrica con distorsión de Jahn-Teller (Figura 2).Cuando se remueven los NH3 por calentamiento, la geometría adoptada es cuadrado plana,obteniéndose el complejo C2. Esto es posible gracias a la versatilidad y flexibilidad del ligando, y ala interacción entre los sistemas π y el centro metálico (dCu···C=C = 3.097 Å), cuya contribución dedensidad electrónica fue confirmada por cálculos DFT.
En el caso del complejo C3, se desarrolla un red unidireccional de enlaces de H entre loscarboxilatos de una molécula y el agua del complejo contiguo (Figura 5). Estas interacciones seencuentran complementadas por interacciones π-π y contactos dipolares entre los anillos. Lasuperficie de Hirshfeld[3] confirma la presencia de estas interacciones (zonas rojas en la Figura 6).La huella digital 2D presenta una morfología característica de “doble ala simétrica”, con unpico fino en la región de los enlaces de H, y una gran contribución de las interacciones C-H y H-H.
Análisis estructuralLa estructura de cada complejo fue confirmada por difracción de rayos X de monocristal y pordiferentes espectroscopías.
Figura 2. Estructuras de C1 (izquierda) y C2 (derecha) determinadas por difracción
de rayos X de monocristal. Código de colores: C = gris, O = rojo, N = azul, Cu =
naranja, (los átomos de hidrógeno fueron omitidos por claridad).
Figura 3. Estructuras de C3 (izquierda), C4 (centro) y C5 (derecha) determinadas por difracción de rayos X de monocristal. Código de colores: C = gris, O = rojo, N = azul, Cu = naranja, Zn = violeta, Ni = verde (los átomos de hidrógeno fueron omitidos por claridad).
C3 y C4 con complejos pentacoordinados con una geometría piramidal (Figue 3). A diferencia delotro ligando, debido a la presencia de un anillo aromático adicional aportado por la L-Fenilalanina, L2 se encuentra plegado sobre si mismo desarrollando interacciones π-πintramoleculares. Además, no existe ningún plano que contenga tanto al metal como a losátomos de las posiciones ecuatoriales (Figura 4). Se sugiere que la presencia de la molécula deagua coordinada y las interacciones de tipo π-stacking representan una situación desfavorablepara la incorporación de un sexto ligando debido al impedimento estérico. Por otro lado, C5presenta una geometría octaédrica con una isomería cis con respecto a L2. No se observaimpedimento estérico en este caso.
Figura 4. Plano que contiene los átomos ecuatoriales y el centro metálico en el complejo C1 (izquierda). No existe este
plano en el caso de C3 (derecha) debido a la estructura distorsionada obtenida.
Figura 6. Superficie de Hirshfeld, en la cual se grafica dnorm (izquierda), huella digital 2D (derecha arriba) y contribución porcentual de interacciones por
par de átomos (derecha abajo) para C3.
Figura 5. Enlaces de H (azul), π-stacking (verde) e interacciones dipolares (rojo) en C3.
H···H(47,1%)
O···H(32,4%)
C···H(15,2%)
Reducción electrocatalítica de nitrito a NOEl centro de de Cu(II) del complejo C3 (llamado C3-ox en este contexto) puede ser reducidoelectroquímicamente a Cu(I) (C3-red-) para generar NO a partir de nitrito:
Figura 8. Espectros UV-Vis de la solución de Mb durante la electrólisis, que muestran un aumento de la absorbancia de las bandas características de la MetMb (408 nm and 504 nm) y una
disminución de las de Mb (543 nm).
Figura 9. Espectro FTIR del headspace de la electrólisis, que muestra las bandas características del NO centradas a
1876 cm-1 [5].
Figure a. Voltametrías cíclicas de C3 (7.4 mM) en DMSO (izquierda), con [N(But)4PF6] = 0.1 M, carbón vítreo como electrodo de trabajo y Pt como contra electrodo (Inset: gráfico de la corriente vs la raíz cuadrada de la velocidad de barrido). Voltametrías cíclicas
cuando se agrega nitrito y ácido benzoico a 100 mV/s (derecha).
Conclusiones y perspectivasCinco nuevos complejos fueron sintetizados a partir de dos nuevos derivados de aminoácidos. Apartir de su caracterización se observa que no solo el centro metálico es decisivo para lageometría y el número de coordinación obtenidos, sino también la naturaleza de los ligandos. Laversatilidad, flexibilidad y la gran cantidad de interacciones que pueden establecer sondeterminantes para su formación, y permiten la estabilización de estructuras con geometríasmuy variadas. Además, el complejo C3 mostró actividad de nitrito reductasa, reduciendo NO2
- aNO. Los estudios cinéticos y el análisis de los parámetros catalíticos se encuentran en proceso,como así también el estudio de la actividad de los otros complejos.
Referencias: [1] S. Horrell et Al., Metllomics, 2017, 9, 1470. [2] S. Aoki et Al., Chem. Eur. J. 2009,15, 10570. [3] M.A. Spackman, D. Jayatilaka,CrystEngComm, 2009, 11, 19. [4] J. Laranjinha et Al., Global Journal of Analytical Chemistry, 2011, 2, 6, 272. [5] C.E. Dinerman, G.E. Ewing, TheJournal of Chemical Physics, 1970, 53, 2, 626.
CuCu
Cu ZnNi
En la voltametría cíclica de C3 (Figura 7) se observa una onda redox quasi-reversible aE1/2 = −0.80 V (vs Fc+/Fc) correspondiente a la cupla Cu(II)/Cu(I), que se corre a E1/2 = −0.65 Vcuando se agrega NaNO2. Luego, cuando se agrega la fuente de protones (ácido benzoico), lacorriente catódica aumenta como consecuencia del desarrollo de la reacción química.
NO2- + 2H+ + C3-red à C3-ox + NO + H2O
La electrólisis se realizó a un potencial fijo de ‒1.0 V vs. Fc+/Fc bajo corriente de argón, con elheadspace conectado a una solución fresca de mioglobina (Mb). El NO generado oxida el Fe(II) aFe(III) produciendo metahemoglobina (MetMb) (Figura 8). Además, se realizó una electrólisis enun vial sellado y se analizó el gas del headspace por espectroscopía FTIR (Figura 9), confirmandola presencia de NO.
Síntesis
2 L1 + CuSO4NH3
calor
2 L2 + Zn(Ac)2MeOH
H2O
Figura 1. Esquema de la síntesis de los ligandos y los complejos.
Complejo Octaédrico
[Cu(L1)2(NH3)2] = C1 =
Complejo Cuadrado plano
[Cu(L1)2] = C2 =
M = Cu (C3), M = Zn (C4)
Complejo Octaédrico
[Zn(L2)2(H2O)] = C4 =
2 L2 + 2 KOH + CuSO4MeOH [Cu(L2)2(H2O)] = C3 =
2 L2 + 2 NaOH + NiNO3 [Ni(L2)2(H2O)2] = C5 =MeOHDMF
R
R R
NaOH / MeOHReflujo
NaBH4MeOH
L1 à R = CH3 L2 à R = Ph
Ligandos (L1 & L2) Pirámide de base cuadrada
Pip =
