Biomimetic and Theoretic Investigations of Unusual Iron-Sulphur Clusters

Abstract

Biologische Fe/S-Cluster sind Cofaktoren, die in allen lebenden Organismen vorkommen. Sie zählen nicht nur zu den ältesten biologischen Cofaktoren, ihre vermutlichen evolutionären Vorläufer einfache, anorganische Verbindungen werden sogar als Faktoren diskutiert, die für die Entwicklung des Lebens auf der Erde unerlässlich waren. Fe/S-Cluster wurden zuerst 1960 über ESR-Spektroskopie entdeckt. Die frühesten Fe/S-Cluster enthaltende Enzyme, die als nicht-Häm-Eisen-Enzyme identifiziert wurden und Ferredoxine genannt wurden, wurden kurz darauf isoliert und ihre Rolle im Elektronentransport erkannt. Kurz nach ihrer Entdeckung konnten Analoga chemisch synthetisiert werden, die keine schützende Proteinumgebung benötigen. Der erste synthetische [4Fe 4S]2+-Cluster wurde 1972 veröffentlicht, der erste [2Fe 2S]2+-Cluster 1973. Seitdem waren biomimetische Analoga stets ein wertvolles Mittel, um die Bildung und die Eigenschaften von Fe/S-Clustern zu untersuchen. Auch nach drei Jahrzehnten sehr erfolgreicher bioanorganischer Arbeiten ist die biomimetische Chemie von kleinen Fe/S-Clustern, also [2Fe 2S]- und [4Fe 4S]-Clustern, noch lange nicht abgeschlossen. Die Isolierung eines Modells für [2Fe 2S]-Cluster des Rieske-Typs im letzten Jahr und des ebenfalls asymmetrisch koordinierten Zwischenprodukts waren die bislang einzigen Beispiele für [2Fe 2S]-Cluster mit heteroleptischer Koordination der beiden Eisen-Atome. Der Ansatz beruhte auf dem sterischen Anspruch einer der beiden bidentaten Liganden und einer schrittweisen Synthese. Die Minimierung von Nebenprodukten und die Aufreinigung stellen ein großes Problem bei der Synthese ähnlicher Komplexe dar. Deshalb wurde in dieser Arbeit ein neuer Syntheseweg erprobt, der auf einem tetradentaten statt auf zwei bidentaten Liganden beruht. Die möglichen Cluster sollten dann eine erhöhte Stabilität im Vergleich zu Clustern mit bidentaten oder monodentaten Liganden aufweisen. Eine Reihe von Ligand-Vorstufen sowie einiger [2Fe 2S]-Cluster mit Ligand-Fragmenten werden in Kapitel 2 beschrieben, ebenso die weitere Funktionalisierung der Liganden. In der Synthese der tetradentaten Liganden wurden Dithiobiphenyle als Liganden verwendet, die die Cystein-Koordination der [2Fe 2S]-Cluster des Rieske-Typs nachempfinden sollten. Die zwei koordinierenden Histidine sollten durch monodentate N-heterocyclische Verbindungen dargestellt werden. Da es bislang nur eine geringe Zahl von [2Fe 2S]-Clustern mit nicht-chelatisierenden N-Liganden gibt, wurde ein weiterer solcher Cluster synthetisiert. Bei der Synthese des [2Fe 2S]-Clusters mit 2-Methylindol-Liganden wurde der entsprechende [4Fe 4S]-Cluster als Nebenprodukt isoliert und in der Folge gezielt dargestellt. Beide werden in Kapitel 3 beschrieben, wobei letzterer der erste [4Fe 4S]2+-Cluster mit reiner N-Koordination ist. Interaktionen, die über die reine Koordination der Liganden hinausgehen, spielen eine erhebliche Rolle bei Fe/S-Clustern, weshalb das Konzept der secondary bonding interactions im Hinblick auf eine Koordinationserhöhung erweitert wurde. Eine Reihe von denkbaren Liganden wurde erprobt, weiterhin wurde ein [2Fe 2S]-Cluster mit fünffach koordinierten Eisen-Atomen eingehend untersucht (Kapitel 4). Die Rolle von Fe/S-Clustern als Schwefel-Quelle in verschiedenen SAM-Radikalenzymen ist zwar seit einiger Zeit bekannt, jedoch wurden bislang keine vergleichbaren biomimetischen Radikalreaktionen untersucht. Explorative Untersuchungen wurden durchgeführt, um dieses neue Forschungsgebiet zu erschließen. Die ersten Fragestellungen betrafen dabei die Wahl geeigneter Radikalstarter und Fe/S-Cluster sowie die geeigneten Mittel zur Reaktionsverfolgung und zur Identifizierung von Reaktionsprodukten. Die ersten Ergebnisse dieses faszinierenden Gebietes der Fe/S-Chemie werden in Kapitel 5 vorgestellt. Schließlich wurde das aktive Zentrum der Biotinsynthase unter die Lupe genommen. Der [2Fe 2S]-Cluster der Biotinsynthase besitzt wie die Cluster des Rieske-Typs eine asymmetrische Koordinationsumgebung. Darüber hinaus stellt der einzigartige Arginin-Rest einen äußerst seltenen biologischen Liganden dar. Die verfügbare Kristallstruktur ermöglicht keine genaue Interpretation des Koordinationsmodus und der gesamten Geometrie des Clusters, vor allem des außergewöhnlich großen Fe Fe-Abstandes. Deshalb wurde ein theoretischer Ansatz gewählt, um diese Fragestellungen zu klären. Im Mittelpunkt dieser Untersuchungen lag der Protonierungsgrad der Guanidin-Gruppe des Arginins, der genaue Koordinationsmodus sowie die Gründe für den außergewöhnlichen Fe Fe-Abstand. Diese Punkte und weitere Schlussfolgerungen aus den Berechnungen werden in Kapitel 6 beschrieben.