New Biomimetic Analogues of Functional [2Fe-2S] Proteins

Abstract

Eisen-Schwefel Proteine stellen ubiquitäre natürliche Cofaktoren von herausragender Bedeutung in biologischen Systemen dar. Ihre wichtigste Funktion liegt im Elektronen-Transfer - neue Funktionalitäten, z.B. in katalytischen Reaktionen, in der Detektion kleiner Moleküle, in Radikal-basierenden Prozessen und in der Gen-Regulation erregen jedoch zunehmend Aufmerksamkeit. Dementsprechend werden Eisen-Schwefel Proteine heute auch als modulare, vielfältig einsetzbare Strukturen aufgefasst, die - vermutlich schon seit dem Beginn des Lebens auf der Erde - in biologisch relevante Schlüsselprozesse involviert sind. Die Aufklärung ihrer strukturellen und elektronischen Eigenschaften profitiere in den letzten Jahrzehnten erheblich von jenen Erkenntnissen, die aus Untersuchungen an synthetischen Modellverbindungen hervorgingen. Jedoch stellen selbst die kleinsten [2Fe-2S] Cluster noch immer eine Vielzahl von präparativ schwierig realisierbaren Herausforderungen an die Bioanorganische Chemie. Um weitergehende Einblicke in die grundlegenden Charakteristika der biologischen Vorbilder zu erlangen, wurden in der vorliegenden Arbeit neuartige biomimetische [2Fe-2S] Cluster synthetisiert und umfassend untersucht. Zunächst wurde ein - auf Ligandaustausch basierender - Syntheseweg entwickelt, der eine einfache Herstellung der Thiophenolat-koordinierten Ferredoxin Analoga, ausgehend von einer Indol-substituierten Vorstufe ermöglicht. Neben verschiedenen Thiophenol-Derivaten, konnten in dieser Umsetzung auch heteroaromatische Thiole und chelatisierende Biphenole zur Reaktion gebracht werden, was auf eine allgemeine Anwendbarkeit letzterer Reaktion in der Eisen-Schwefel Chemie hinweist. Der Einfluss der Ligandsphäre auf die wichtigsten spektroskopischen Eigenschaften von Thiolat-koordinierten Clustern wurde durch die Einführung elektronenziehender und elektronendonierender Gruppen in dithiobiphenyl-basierenden Ligandsysteme untersucht. Aus elektrochemischen Messungen ging hervor, dass die Redoxpotentiale der Cluster, wie erwartet, durch die Ligandumgebung gesteuert werden können. Mit der Zielsetzung, Modelle für die Wechselwirkung zusätzlicher Donoratome mit den Eisenatomen in biologischen [2Fe-2S] Clustern zur Verfügung zu stellen, wurde eine Serie von synthetischen Clustern hergestellt, die neben der koordinierenden terminalen Thiolatfunktion auch eine ligandgebundene Ether- oder Thioether-Funktion aufweisen. Das Auftreten sekundärer Wechselwirkungen konnte in denjenigen Fällen beobachtet werden, in denen die zusätzlich angebrachten Lewis-Basen in räumlicher Nähe zum Cluster-Kern positioniert wurden. Es wurden signifikante strukturelle Verzerrungen der - für gewöhnlich starren - Geometrie des Cluster-Kerns beobachtet, wobei sich die Koordinationspolyeder um die Eisenatome einer trigonal bipyramidalen Geometrie annähern. Im Vergleich zu Ether-Donoren, sind diese Beobachtungen für Thioether-Donorgruppen deutlich stärker ausgeprägt. Ergebnisse aus DFT-Rechnungen sind im Einklang mit diesen experimentellen Befunden. Die Relevanz dieser Studie vor dem Hindergrund spezieller biologischer Eisen-Schwefel-Systeme, wie z.B. dem einzigartigen Arginin-koordinierten [2Fe-2S] Cluster der Biotin Synthase, wird im Zuge der Arbeit diskutiert. Des Weiteren gilt die Synthese eines gemischt-valenten [2Fe-2S] Ferredoxin Modells als eine noch zu vollendende Aufgabe, die an synthetische Eisen-Schwefel Chemiker gestellt wurde. Um diese Herausforderung anzugehen, wurden {N}-homoleptische Cluster mit terminaler Dipyrromethanat- und 1,2-Benzol-bis-benzimidazolat-Koordination synthetisiert und im Hinblick auf eine Einelektronenreduktion untersucht. Durch die Chelatstruktur dieser Ligandsysteme konnten relativ stabile Cluster erhalten werden, so dass im Falle des 1,2-Benzol-bis-benzimidazolat-koordinierten Systems eine coulometrsiche Reduktion und die ESR-Charakterisierung der zugehörigen [2Fe-2S]+ Spezies möglich wurde. Schließlich wurde auch versucht asymmetrisch koordinierte [2Fe-2S] Cluster zu synthetisieren. Im Zuge eines umfangreichen Ligand-Screenings, wurde ein chelatisierender Diskatyl-{N2}-Ligand gefunden, der die Isolierung eines heteroleptischen {N2Cl2}-koordinierten Clusters erlaubte, wobei die beiden substitutionslabilen Chloratome an einem Eisenatom lokalisiert sind. Nachfolgend konnte erstmals ein exaktes, {N2S2}-koordiniertes Analogon der Rieske-[2Fe-2S] Cluster hergestellt werden, indem die beiden verbliebenen Halogenide durch einen chelatisierenden o-Xylyl-α,α -dithiolat-Liganden substituiert wurden. Dieser Modellcluster des Rieske-Typs gibt sowohl die strukturellen, als auch die spektroskopischen Eigenschaften (unter anderem die typischen Mössbauer Parameter) der natürlichen, proteingebundenen Systeme exakt wieder, wobei sich selbst der charakteristisch niedrige gav Wert der reduzierten [2Fe-2S]+ Spezies im ESR Spektrum widerspiegelt.