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

Paul, Melanie; Herres-Pawlis, Sonja; Oppel, Iris Marga

doi:HT021085343

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

Paul, Melanie^RWTH*

2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Melanie Paul, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Herres-Pawlis, Sonja (Thesis advisor)^RWTH* ; Oppel, Iris Marga (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-09-17

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-08970
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/828156/files/828156.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
guanidine (frei) ; Kupferkatalyse (frei) ; Phenazine (frei) ; Sauerstoffaktivierung (frei) ; Tyrosinase (frei) ; copper catalysis (frei) ; dioxygen activation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

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.

The design of environmentally friendly and efficient catalysts for oxidation processes represents a longstanding research goal. The natural copper protein tyrosinase efficiently activates molecular oxygen, forming reactive copper-oxygen intermediates which catalyze phenolase and catecholase transformations. Inspired by nature, synthetic model systems are designed to imitate the active site of tyrosinase, exploring the structure-reactivity relationship of the copper protein. This doctoral thesis deals with the development of tyrosinase model systems based on aromatic hybrid guanidine ligands. These tailored ligand systems combine strong σ-donor properties of the bulky guanidine moiety with spatially smaller, weaker amine donor moieties, which are bridged by an aromatic spacer to rigidify the ligand backbone. Five structurally related hybrid guanidine ligands were developed to examine correlations between ligand structure and reactivity of the corresponding copper complexes. 29 copper(I) and copper(II) species with weakly coordinating and halide anions were synthesized, of which 15 were structurally characterized by single crystal X-ray diffraction. Oxygenation of suitable copper(I) complexes resulted exclusively in the formation of bis(µ-oxido) dicopper(III) complexes, which were characterized by UV/Vis, resonance Raman and X-ray absorption spectroscopy, cryo-UHR-ESI mass spectrometry as well as DFT simulations. Additionally, the formation of the bis(µ-oxido) species was quantified by spectrophotometric titration with ferrocene monocarboxylic acid. Formation and thermal decay kinetics were studied extensively by UV/Vis spectroscopy to investigate the influence of the ligand system, present anions and different additives on the model system. Several decomposition products were successfully isolated. The hybrid guanidine-stabilized bis(µ-oxido) dicopper(III) complexes are well-suited for tyrosinase-like oxygenation reactions of aromatic alcohols, as the hybrid ligands balance stabilization of the Cu2O2 core and accessibility for external substrates. A library of substrate classes was investigated to exceed the established substrate scope. Many new polycyclic aromatic alcohols including pyridinols, naphthols, quinolinols and indolols were introduced into tyrosinase chemistry. Substrates were hydroxylated and oxidized selectively to generate quinones which were captured exclusively as bent phenazine derivatives. The selectivity of the oxygenation reaction was confirmed by DFT calculations using the Fukui function, enabling a prognosis of the favored hydroxylation position. A simple salt metathesis of the catalyst allowed oxygenation reactions under mild conditions at room temperature, increasing the turnover of the system. Catalytic reactivity and selectivity of the model system were sustained despite enhancing the steric demand of the supporting ligand system. This systematic study opens the door to future developments on tyrosinase model systems to gain deeper insights into molecular mechanisms of the activation and transfer of dioxygen in biological systems.

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