Металлокомплексы арил(гетарил)азометинов с азотхалькогенным лигандным окружением - модели активных центров негемовых металлопротеинов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

На правах рукописи

Урасв Али Исхакович

МЕТАЛЛОКОМПЛЕКСЫ АРИЛ (ГЕТАРИЛ) АЗОМЕТИНОВ С АЗОТХАЛЬКОГЕННЫМ ЛИГАНДНЫМ ОКРУЖЕНИЕМ - МОДЕЛИ АКТИВНЫХ ЦЕНТРОВ НЕГЕМОВЫХ МЕТАЛЛОПРОТЕИНОВ

02.00.04 - физическая химия

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора химических наук

2 6 ДЕК 2013

Ростов-на-Дону - 2014

005544546

005544546

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте физической и

органической химии Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» (г. Ростов-на-Дону).

Официальные Милаева Елена Рудольфовна, доктор

оппоненты: химических наук, профессор, Московский

государственный университет им. М.В. Ломоносова (г. Москва)

Сидоров Алексей Анатольевич, доктор химических наук, профессор, Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова (г. Москва)

Коган Виктор Александрович,

доктор химических наук, профессор, зав. кафедрой ЮФУ (г. Ростов-на-Дону)

Ведущая организация: ФГБУН Институт элементоорганических

соединений им. А.Н. Несмеянова РАН, г. Москва

Защита состоится 23 января 2014 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.208.14 при Южном федеральном университете по адресу:

344090, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки, 194/2, НИИ физической и органической химии ЮФУ.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке Южного федерального университета по адресу: г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.

Автореферат разослан « » декабря 2013 г Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.208.14 доктор химических наук

Морковник А.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования.

Исследование активных центров металлопротеинов с использованием простых синтетических моделей является одним из приоритетных направлений современной биокоординационной химии. В этом аспекте комплексы с азотхалькогенным лигандным окружением вызывают постоянный интерес и являются наиболее перспективными объектами при изучении структуры и спектральных характеристик активных центров ряда важнейших негемовых металлопротеинов. Несмотря на многочисленные работы в области моделирования активных центров медь- и железосодержащих белков круг металлохелатов с N,8 лигандным окружением остается достаточно ограниченным. В основном низкомолекулярные соединения представлены комплексами, полученными на основе тиоэфирных, макроциклических лигандов и трициклическими металлохелатами, содержащими мостиковый фрагмент. При этом следует учесть, что, во-первых, эти соединения являются маловариабельными. Во-вторых, тиоэфирная группа не отражает в достаточной мере свойства тиолатного фрагмента. В-третьих, мало работ, где бы исследовались направленно подобранные серии комплексов, что позволяет определить влияние природы лигандной системы на их строение и как следствие на физико-химические параметры. Метод замещения атома серы на селен в последнее время является наиболее эффективным инструментом при изучении атомного и электронного строения активных центров природных объектов. В этой связи особенно актуальным является исследование металлохелатов меди (2+) с И,Бе лигандным окружением еще боле труднодоступных, чем их аналоги с СиИ^у хромофором. Сравнительное изучение таких изоструктурных комплексов позволяет более детально оценить изменения электронного строения и спектральных параметров в природном белке и его мутанте, которые вызваны эффектом замещения атома серы на селен.

Избирательное и обратимое окисление тиольных/тиолатных групп в дисульфиды (например, цистеина в цистин) является одной из самых важных биологических реакций, приводящих к формированию дисульфидных мостиков в белках. Кроме того, тиол-дисульфид реакционная система - важный донор электронов для многих процессов, происходящих в природных объектах и определяющих регулирование передачи сигнала и деятельности фермента. Однако окислительно-восстановительные реакции в системе тиолат -дисульфид остаются в значительной степени недостаточно изученными в контексте моделирования их на простых синтетических комплексах. Исследования в этой области имеют большое значение для подобных реакционных систем, представляющих собой новые доноры электронов.

Присоединение и активация кислорода металлоэнзимами и их синтетическими аналогами занимает одно из приоритетных мест в бионеорганической химии. Медьсодержащие белки, которые связывают и/или активируют кислород, выполняют множество важнейших биологических функций. Несмотря на многочисленные работы в этой области остается актуальным поиск лигандных систем и создание комплексов, которые позволили бы ответить на ряд вопросов, связанных с первичным актом присоединения кислорода и его активацией, систематизировать типы фрагментов медь-кислород, установить механизмы реакций, протекающих в природе. Это в свою очередь открывает перспективы для создания высокоэффективных и селективных катализаторов.

Работа выполнена в рамках программы Президиума РАН № 8 и при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты 97-03-33479-а, 01-03-32538-а, 04-03-08019-офи_а, 04-03-32366-а, 04-03-96805-р2004юг_а, 07-03-00710-а, 10-03-00434-а, 11-03-00475-а).

Цели и задачи исследования

1. Изучение реакции комплексообразования солей меди с азотхалькогенными органическими соединениями.

2. Синтез новых «теоретических», «подтверждающих» модельных систем активных центров медь- и железосодержащих протеинов, а также их кислород (селен) содержащих аналогов. Исследования строения, спектральных свойств различными физико-химическими методами, в том числе методами РСА и рентгеновской спектроскопии поглощения (РСП)

3. Исследования комплексов меди, поглощающих кислород, установление влияния природы лигандной системы на способность металлохелатов взаимодействовать с кислородом и его активацию.

Поставленные цели предполагают решение следующих задач:

1. Разработка оптимальных методик получения полифункциональных лигандов - аминометиленовых и азопроизводных пиразола, а также Р -аминовинилкетонов (тионов, иминов).

2. Синтез на основе указанных лигандов металлохелатов меди, железа с координационными узлами ММхО($,8е)у и их никелевых, цинковых и кадмиевых аналогов.

3. Установление факторов, ингибирующих ред-окс процессы при синтезе комплексов меди с азотхалькогенсодержащими лигандами.

4. Установление закономерностей изменения спектральных характеристик ЭСП (электронные спектры поглощения) и ЭПР синтезированных металлохелатов от природы лиганда, состава координационного полиэдра и его строения, сравнение с аналогичными параметрами активных центров медь- и железосодержащих белков.

5. Расширение круга «теоретических» моделей, которые используются для определения структуры белка и применяются в качестве стандартов при установлении строения металлопротеинов методом EXAFS спектроскопии. Установление корреляции между данными РСП различных синтетических моделей, определяемых набором донорных атомов и геометрией хелатного узла.

6 Синтез и исследование Р-аминовинилиминатных комплексов меди (2+) - абсорбентов кислорода.

Научная новизна исследования. Предложен новый подход к созданию модельных соединений активных центров белков, заключающийся: в направленном синтезе систематических серий комплексов, которые обладают разнообразной геометрией и составом координационного полиэдра, в детальном исследовании их строения и физико-химических характеристик, в квантово-химическом моделировании спектральных свойств. Применение такого подхода также позволяет установить факторы, ингибирующие ред-окс процессы при синтезе N,S(Se) содержащих металлохелатов меди и железа. Впервые синтезированы целенаправленные серии труднодоступных соединений меди и железа с азотхалькогенным лигандным окружением, имеющих различную геометрию хелатного узла и разнообразные физико-химические параметры. Получены их кислородные никелевые, цинковые, кадмиевые аналоги. Соединения исследовались методами РСА, РСП, гетероядерного ЯМР, ЭПР, ИК, гамма-резонансной (ГР) спектроскопией, магнетохимии. Установлено влияние замены донорных атомов S в лигандах атомами О, Se, N, а также СН группы азометиновой связи атомом азота на строение и спектральные характеристики комплексов. Показано, что изменения в ЭСП металлохелатов с CuNiSei хромофором по сравнению с их серосодержащими аналогами подобны тем, что наблюдаются при замещении в азурине серы цистеина на селен. Установлено, что тетраэдрическое искажение хелатного узла в комплексах меди приближает их спектральные параметры к параметрам активного центра Т1. Физико-химические свойства пентакоординированных металлохелатов меди ближе к свойствам «красного» активного центра нитрозоцианина.

Впервые получены и структурно охарактеризованы неизвестные до настоящего времени и синтетически труднодоступные селенолатные комплексы меди (2+), которые представляют интерес как модели Se(Cys, Met) мутантов природных протеинов.

Изучены реакции комплексообразования солей меди с азотхалькогенсодержащими лигандами. Установлено, влияние природы лиганда и заместителей в аминной компоненте на направление реакции и строение конечных продуктов. Показано, что наличие в лигандных системах аннелированного пиразольного цикла и аминохинолинового фрагмента

повышают устойчивость комплексов меди и железа в присутствии донорных атомов серы и селена.

Обнаружено, что взаимодействие солей меди с дисульфидными производными пиразольного и тозильного альдегидов приводит к разрыву Б-Я связи и образованию диамагнитных биядерных металлохелатов меди (2+).

Впервые методами РСП (ЕХАРБ, ХА^Б) определены структурные параметры ряда комплексов в твердом состоянии и в растворе.

Одновременно с группами То1тапа, \У., Уоко1а Б. изучены реакции Р-аминовинилиминов с солями меди. Методами РСА, рентгеновской дифракции, ЭСП, ЭПР, РСП и магнетохимии доказана способность (5-аминовинилиминатных комплексов поглощать и активировать кислород. Установлено влияние заместителей в органической молекуле на эту способность.

Обнаружено, что комплексы железа (3+), содержащие донорные атомы серы и селена, достаточно адекватно воспроизводят спектральные характеристики нитрилгидратазы и являются низкоспиновыми, что характерно для природного белка.

Теоретическая и практическая значимость работы.

-Разработаны препаративные методы синтеза устойчивых комплексов меди (2+), железа (3+) с азотхалькогенным лигандным окружением (особо отметим селенолатные соединения меди) - моделей активных центров ряда важнейших негемовых металлопротеинов.

-Установлены факторы, ингибирующие ред-окс процессы при получении металлохелатов меди и железа с серо(селен)содержащими лигандами, что позволяет значительно расширить круг такого типа комплексов, которые могут быть использованы не только в качестве моделей активных центров природных объектов, но и как псевдонуклеазы.

-Найденные в работе закономерности, связанные с образованием, строением и физико-химическими свойствами металлохелатов с азотхалькогенным лигандным окружением, а также корреляции структура -физико-химические свойства важны для развития классической координационной химии.

Разработаны методы синтеза Р-аминовинилиминатных комплексов меди, способных поглощать и активировать кислород, что открывает перспективы для получения новых эффективных катализаторов.

Методология и методы исследования.

Исследование природных объектов с помощью простых синтетических моделей является важнейшим методологическим подходом современной бионеорганической химии. Основываясь на рациональном дизайне лигандных систем, были получены устойчивые комплексы Си(2+), Ре(3+) с донорными

атомами N, S(Se) и разнообразным строением, которые являются моделями активных центров ряда белков. Исследование соединений проводилось с помощью широкого набора современных физико-химических методов, включающих РСА, РСП, гетероядерный, динамический ЯМР-, ЭПР-, ИК-, ГР, электронную спектроскопию, магнетохимию и квантово-химические расчеты.

Вклад соискателя. Автору принадлежит ключевая роль в выборе темы, направления исследований, постановке задач, а также в интерпретации и обобщении полученных результатов. Им определена стратегия экспериментальных работ и подбор новых лигандных систем и металлохелатов на их основе в соответствии с основной целью исследований.

Апробация результатов исследования. Основные результаты диссертационного исследования неоднократно докладывались на следующих конференциях: 8-th Fechem Conference on Organometallic chemistry (Hungary, 1989 г.), Менделеевские съезды по общей и прикладной химии (1998, 2003, 2007 гг.), Чугаевские совещания и конференции по химии комплексных соединений (1990, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007, 2009, 2011 гг.), European Inorganic Chemistry Seminars, EICS-VI. Biocoordination Chemistry, Inorganic Compounds with Framework Structure (Denmark, 1996 г.), International Conference on the Chemistry of Selenium and Tellurium (Germany, 1997 г.), Международные семинары по магнитному резонансу (2000, 2002, 2004, 2006, 2008 гг.), International Conference "New Approaches in Coordination and Organo Metallic Chemistry. Look from 21-th Century" (Nizhny Novgorod, 2002 г.), The 10-, 12-, 13th International Conference on X-ray Absorption Fine Structure (Sweden, 2003 r, U.S.A., 1998, 2006 г.), V-th Conference on Cluster's Chemistry and Polynuclear Compounds "Clusters-2006" (Astrakhan), International Conference on Organometallic and Coordination Chemistry (Nizhny Novgorod, 2008 г.), IV International Conference "High-Spin Molecules and Molecular Magnets" (Novosibirsk, 2012 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 46 работ в отечественных и зарубежных журналах и более 60 тезисов докладов российских и международных конференций.

Структура работы. Диссертационная работа содержит 437 страниц и состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части обсуждения полученных результатов, выводов, библиографии, которая включает 677 публикаций. В диссертации приведены 18 схем, 32 таблицы и 91 рисунок.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность работы, отписываются цели и задачи исследования, научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы. В главе 1 (литературный обзор) рассматривается строение и физико-химические свойства медьсодержащих протеинов, железосодержащей нитрилгидратазы и комплексов, моделирующих активные центры этих белков. В главе 2 (экспериментальная часть) приведены методы синтеза и физико-химических исследований лигандов и комплексов. Глава 3 содержит основные результаты исследований и их обсуждение.

Глава 3. Строение и физико-химические свойства аминомстилсновых производных пиразол - 5-она(тиона, селснона), азоаналогов и комплексов меди, никеля, цинка, кадмия на их основе (обсуждение результатов)

Медьсодержащие негемовые протеины - природные объекты, выполняющие различные биохимические функции (электронный перенос, гидролитические превращения, окисление субстратов). Особое место в этом многообразии природных объектов занимают белки, относящиеся, согласно классификации, к активному центру типа 1 или Т1, который обычно ассоциируется с «голубыми» протеинами. Общим структурным элементом для активного центра Т1 является наличие группы СиМ25 с атомом меди в тригональном лигандном окружении с очень короткой связью Си-Б (2.07-2.2 А). Для большинства из них характерно присутствие четвертого удаленного, так называемого «осевого» лиганда, расположенного на расстоянии —ЗА от иона меди. В азуринах пятым дополнительным центром выступает атом кислорода карбонильной группы. Характерной особенностью этих белков является наличие в ЭСП интенсивной полосы переноса заряда (ППЗ) в области 600 нм и уникально малая величина А// в ЭПР спектрах. Фрагмент СиЫ8 обнаружен также в СиА биядерном центре цитохром С оксидазы и «красном» белке нитрозоцианине, спектральные характеристики которого существенно отличаются от параметров «голубых» купредоксинов.

В данной работе основное внимание уделено изменению строения и свойств комплексов, обладающих общим структурным элементом СиЫЯ, при направленной функционализации лигандов, что позволяет расширить круг «теоретических» и «подтверждающих» моделей.

/^ПуК Для решения общей задачи в качестве лигандов нами были

V_^ выбраны основания Шиффа (У=СН) и их азоаналоги (У=Ы).

/ Эти системы достаточно легко можно модифицировать, \ / изменяя донорные атомы (X), альдегидную компоненту молекулы (а), аминный фрагмент (Ь) и заместители (Я) в нем.

Б(Х)

Кроме того можно вводить в молекулу координационно-активные заместители, содержащие дополнительные донорные центры Z.

Ранее основания Шиффа уже использовались для синтеза модельных соединений меди с N,S лигандным окружением, однако полученные комплексы меди обладали плоско-квадратным трициклическим строением. Из-за повышения ред-окс потенциала пары Cu(2+)/Cu(l+) в случае искаженной тетраэдрической геометрии комплексов наиболее интересные структуры становятся наиболее труднодоступными. До начала наших исследований был известен только один пример структурно охарактеризованного псевдотетраэдрического металлохелата меди, полученного на основе 1-изопропил-3-метил-4-[^(2-пиридил)амино-метилен]-пиразол-5-тиона. На этом примере и из исследований пиразолальдиминатных металлохелатов переходных металлов установлено, что аннелирование к металлоциклу пиразольного фрагмента приводит к тетраэдризации структуры.

3.1. Строение и свойства амииомстилсновых производных пиразол - 5-она (шона, ссленона) и комплексов на их основе.

В качестве лигандов были использованы производные пиразол-5-она (тиона, селенона) 1-8 (схема 1). По данным ИК, ЯМР спектроскопии и РСА (соединения 1 (И'^СгНз), 6 (R'=Qin)) они имеют енаминное строение. В результате взаимодействия ацетата и хлорида меди (2+) с основаниями Шиффа 1, 2, содержащими при атоме азота аминометиленовой связи ароматический цикл с электроноакцепторными заместителями, процесс протекает с образованием в качестве основных продуктов дисульфидов и трудно идентифицируемых соединений меди (1+) (схема 1, путь а). Также происходит окисление лигандов с R'=t-Bu, C6H|0-cyclo, Naît. Реакции, предположительно, протекают с образованием промежуточного интермедиата L-SCu(2+)OAc и/или (L-S)2Cu, который затем разрушается в результате ред-окс процесса. Те же превращения наблюдаются при синтезе тиоэфирных комплексов и в растворах купредоксинов, которые известны под названием «реакций обесцвечивания». Влияние этих заместителей в ароматическом цикле заключается в стабилизации металлохелатов в низших степенях окисления за счет повышения ред-окс потенциала Cu(2+)/Cu(l) и дестабилизации промежуточных интермедиатов в результате стерических эффектов. Взаимодействие солей меди с енаминами, у которых в молекуле присутствуют при атоме азота аминометиленовой связи //-алкильные (1), ароматические с электронодонорными заместителями группы (2) или гетероциклический фрагмент (3) приводит к образованию металлохелатов меди (2+) 9, 13, 15 (схема 1, путь Ь).

1,2: ЯМ-Ви, С6Нш-сусіо, РІЖ2(1*-=НаІ. Ы02), Nafl

-Си( І +) + Ь-Б-Б-Ь

МУ, пН,0

N

X

МеОН (ЕЮН)

И ЫаОМе (ЫаОЕО К=РИ. і-Рг. СН,РІ1

\_/ \

Си/,

N І

І?

1-3: Х=8; К'=АІк (1). Аг (2). Неї (3) 9: Х=5; К'=А1к. Аг . Неї 4-6: Х=0: К'=АІк (4). Аг (5). Неї (6) 10: Х=0: К'=АІк. Аг 7-8: Х=8е: К'=А1к. Аг (7), Неї (8) 11: Х=8е; к'=АІк. Неї

12: Х=$; 1^=2.4,6-(СН,),РІі. Си(1+)

13: Х=.Ч: У=ОАс, СІ 15: М=Си. Х=Б 14: Х=8е: У=ОАс. СІ 16: М=Си. Х=0 17: М=Си. Х=Бе

АІк=СН,. С,Н,. СН,РІі. п-Ви. ьВи, С6Нш-сус1о, С_,Н4. С2Н4ІЧ(СН,)2 Аг= РИІ*2. К2=СН,. ОСН,. 3,4-С8Н1йО,-Ріі (краун), На]. N0,, рі-РІіСг(СО),: СшН,(ЫаЛ)

\—/' г~(Ат)

-сн,

Неі= / \

18: Х=8е. ЦСи^єО, 19: М=№: Х=8 20: М=7,п. Х=5 21: М=Ссі.

(Оіп)

N РИ

Схема 1. Взаимодействие енаминов с ацетатом и хлоридом меди.

Следует отметить, что аннелирование к металлоциклу пиразольного кольца стабилизирует комплексы меди с N,8 лигандным окружением по сравнению с бис-хелатами тиосалицилового альдегида, которые оказались синтетически недоступны.

О неоднозначном протекании процесса комплексообразования серо(селен)содержащих аминометиленовых производных пиразола может свидетельствовать тот факт, что в результате реакции ацетата меди с енамином

8 (Я'=АпО нам удалось выделить, наряду с металлохелатом меди 11 (Х=8е, Я'=Ап1), диселенид 22, строение которого было установлено методом РСА (рис.1).

С другой стороны, в результате взаимодействия соединений 1, 8 (П^СН^РИ) с ацетонитрильным производным меди (1+) образуются комплексы 9,11 (К'=СН2РЬ), которые также были получены, исходя из Си(2+)(СНзС()0)2'Н20. Характеристики веществ, выделенных из разных синтезов, полностью идентичны. Данная реакция может служить косвенным подтверждением ранее предложенного механизма образования серосодержащих комплексов меди (2+) с участием соединений меди (1+) и кислорода воздуха.

"V

\ • ?Гг'

& у -V-

Рисунок 1 . Строение

диссленида 22.

Масс-спектры металлохелатов 9 (К'=4-СН3РЬ), 11 (Я'=СН2Р1і), 13 (У=ОАс), 16 (І^С^іп), 17 (Rl=Qin) очень близки и характеризуются наличием малоинтенсивного молекулярного пика СиЬ2+ и высокоинтенсивных пиков СиЬ+. В спектрах также присутствуют пики, соответствующие структурам, где два металла связаны с двумя лигандами, а для соединения 11 (Я'=СН2РЬ) наблюдается молекулярный фрагмент Си3Ь2+. В условиях получения масс-спектров происходит заметная фрагментация и вторичное формирование кластеров. Магнетохимические исследования комплексов 9-17 в твердой фазе в интервале температур 77-300 К показали обычные для моноядерных металлохелатов меди значения магнитных моментов (1.76-2.04 МБ). Единственным исключением из этого ряда является диамагнитный комплекс 12, выделенный, наряду с парамагнитным продуктом 9 (И'=2,4,6-(СН3)3Р1і), в результате взаимодействия ацетата меди с аминометиленовым производным 2 (Я1=2,4,6-(СНз)3РЬ).

Тетракоординированные металлохелаты с Си1Ч2$2 хромофором - наиболее близкие модели активного центра купредоксинов (рис.2).

(IIis)N

SMel O(Gln) S(Met)

J, (His)N~„ Л" j-

І ^S(Cys) (llis)N N(His)

S(Cys)

S(Cys) yC\

(Ilis)N N(His)

пластоиианин (стеллацианин)

O(Gly) азурин

O(Gly)

(HislN-"^11^—o,l

(Cys)S

N(IIis)

нитрозоцианнна

"голубые белки" X=450, 600-700 им, А =37- 92 Гс "красный" центр Х=390. 500 нм

А„=144Гс

Рисунок 2. Схематическое представление активных центров некоторых медьсодержащих белков.

Все серосодержащие комплексы 9 по данным РСА и РСП, ЭПР и электронной спектроскопии имеют искаженное тетраэдрическое строение. В рентгеноструктурно охарактеризованных соединениях 9 (R'= CH2Ph, 2,4,6-(CH3)3Ph, 3,4-(C8Hl605)-Ph, 2-OCH3Ph, Ant) двугранный угол между плоскостями металлоциклов меняется в диапазоне от 44 до 67°, соответственно. Длины связи Cu-S по результатам РСА и анализа EXAFS лежат в интервале 2.24-2.27Ä, при этом, чем сильнее искажается хелатный узел, тем они становятся короче. Аналогичная тенденция отмечалась в ряду нитрит редуктаза > огуречный основной голубой > пластоцианин. Расстояние Cu-S(Cys) в активном центре Т1 в основном меньше, чем в исследуемых хелатах и находится в пределах 2.08-2.19 Ä, что предполагает высокую степень ковалентности связи. Исключением из данного ряда медьсодержащих протеинов является азурин (Р. aeruginosa), рустицианин (Т. ferroxidans),

лакказа (С. с иге ге их), длина связи Си-8(Су8) в которых составляет 2.24 А, 2.26 А, 2.27 А, соответственно, и близка к значениям характерным для металлохелатов 9 с Си1<282 хромофором.

Влияние природы донорных атомов на строение координационного узла комплексов прослеживается при исследование изолигандных соединений 9, 10, 17 (Я'=СН2Р11) (рис.3).

Рисунок 3. Молекулярное строение 9(а), 10(6), 17(в) (іУ=СН2Р|-і)_

Замещение атома 8 на Бе незначительно сказывается на геометрии координационного полиэдра комплекса 17. Оба металлохелата обладают близкой псевдотетраэдрической структурой с цис- расположением донорных атомов халькогена. При переходе от комплексов 9, 17 к кислородному аналогу 10 наблюдается уплощение геометрии координационного полиэдра и реализация транс-структуры. Детальная информация о природе связи Х-Си (X =0, Бе) и о влиянии донорных атомов и атома меди на электронное строение хелатного узла была получена в результате прецизионного рентгенодифракционного исследование распределения электронной плотности в монокристаллах соединении 10, 17 (К=СН2РЬ). Установлено, что в комплексах наблюдается перераспределение заряда между лигандами и металлом через связи металл-лиганд. Ион меди в соединении 17 (Я'=СН2РН) обладает меньшим положительным зарядом (+0.10 е), чем в кислородном аналоге 10 (+0.37 е), а также меньшим отрицательным зарядом на селене (-0.51е), чем на кислороде (-0.91 е). При этом заряды на азотах азометиновых фрагментов (-0.80е - соединение 17 и -0.87е соединение 10) различаются незначительно. Наблюдаемые изменения в геометрии и электронном строение координационного полиэдра в этом ряду соединений характерны и для других тетракоординированных металлохелатов 9-11. Об этом свидетельствуют результаты РСП. Повышение энергии СиК-краев поглощения и характерный вид первой производной ХАЫЕ8 при переходе от серо(селен)содержащих комплексов к их кислородным аналогам указывает на то, что формальный положительный заряд на атоме меди и отрицательный заряд на атомах халькогена увеличиваются, а структура уплощается. Следует отметить, что комплексы с Си1Ч28е2 хромофором являются первыми примерами моделей

Se(Cys), Se(Met) замещенных мутантов активного центра Tl. Исследование комплексов 9-11 (R'=CH2Ph,) методом РСП в растворе ДМФА и в твердом виде позволило оценить строение и количественные параметры ближайшайших координационных сфер в разном фазовом состоянии. Совпадение основных особенностей спектров соединений в кристаллическом виде и в растворе свидетельствует о близкой геометрии координационных полиэдров и одинаковой степени окисления атома меди. Полученные значения расстояний Cu-X, Cu-N меняются незначительно при переходе из твердой фазы в раствор. Иная ситуация наблюдается для металлохелата 9 (R'=2,4,6-(CH3)3Ph). Если вид и характер РСП мелкокристаллического образца соответствуют спектрам искаженных тетраэдрических комплексов Си(2+), что согласуется с данными РСА, то в растворе ДМФА спектры претерпевают существенные изменения. В XANES раствора этого соединения наблюдаются особенности, характерные для комплекса Си (1+) 12, а сам спектр представляет собой суперпозицию спектров соединений Си(1+) и Си (2+). Также меняется вид модуля Фурье-трансформанты (МФТ) в EXAFS, принимая промежуточный характер между МФТ, полученными для комплекса 9 (R'=2,4,6-(CH3)3Ph) в твердой фазе и МФТ соединения Си (1+) 12. Найденные средние значения межатомных расстояний для комплекса 9 (R'=2,4,6-(CH3)3Ph) в ДМФА имеют меньшие значения по сравнению с таковыми в твердом состоянии. Таким образом, в растворе ДМФА металлохелата 9 (R'=2,4,6-(CH3)3Ph) происходят внутримолекулярные ред-окс процессы, частично приводящие к комплексу одновалентной меди.

Природа заместителей при атомах азота пиразольного цикла и азометиновой связи (Alk, Ar) мало сказывается на геометрии координационного полиэдра бис-хелатов. Планаризующее влияние о, о'-замещенных арильных заместителей, наличие которых в комплексах никеля приводит к плоским структурам, в металлохелате меди менее выражено. Бис-хелат 9 (R'=2,4,6-(CH3)3Ph) очень незначительно уплощен (0=51°) по сравнению с другими псевдотетраэдрическими комплексами меди.

Введение в молекулы металлохелатов координационно-активных заместителей для создания структур близких к строению активных центров «голубого» азурина и «красного» нитрозоцианина (рис. 2) показало, что возможность реализации дополнительной координации зависит от природы заместителей и донорных атомов. Так, в комплексах 9 (R'=2-OCH3-Ph и R'=Ant) (рис. 4,5), где в качестве дополнительных донорных центров могут выступать атомы кислорода ОСН3 групп и антипиририновых фрагментов, обычной связи Си-О не образуется, также как и в их селенсодержащих аналогах 11 (R'=2-OCH3-Ph, R'=Ant). Однако в этих соединениях наблюдаются структурные отличия, важные с точки зрения близости их к строению активных центров белков.

гЛв «•-•сії \

Рисунок 4. Строение комплекса 9 (Іі'=2-ОСНгРЬ) Рисунок 5. Строение комплекса 9 (К'=АпО

В уплощенном псевдотетраэдрическом металлохелате 9 (їі'=2-С>СНгРІ"і) (9=43.9°) (рис. 4) два атома кислорода анизидиновых заместителей располагаются от иона меди на расстояниях 2.76 А, что короче длины слабо ионной связи Си-О(СІи) (2.97 или 3.13 А), найденной в азуринах. Комплекс 9 (К'=2-ОСН3-РЬ) можно рассматривать в первом приближении как модель этого активного центра. В отличие от анизидинового металлохелата в соединении меди 9 (К'=Ап1) (9=56.3°) (рис. 5), атомы кислорода находятся на расстояниях более 4 А от центрального атома металла, не участвуя в координации. Это соединение представляет собой модель тетракоординированного активного центра Т1. Замещение донорных атомов серы в этом комплексе на атомы кислорода приводит к образованию псевдооктаэдрического соединения 16 (К'=Ап1), где координационный узел СиН204 сформирован с участием атомов кислорода антипириновых заместителей. Об этом свидетельствуют данные ЭГТР, электронной спектроскопии. Такое различие в строение кислородсодержащих и серосодержащих комплексов меди можно объяснить стерическим влиянием донорных атомов халькогена и эффектом Яна-Теллера.

В металлохелате 15 (Р'=С2Н4М(СНз)2), где в качестве координационно-активного фрагмента выступает Ы(СНз)2 группа по данным ЭПР, электронной спектроскопии, характеристики, которых кардинально отличаются от параметров о-анизидинового комплекса, связь между ионом меди и азотом этой группы реализуется. Соединение, вероятно, имеет квадратно-пирамидальную структуру с аксиальной координацией атома азота Ы(СНз) фрагмента.

Енамины пиразол-5-тиона(селенона) 3, 8, содержащие хинолиновый заместитель образуют в зависимости от рН среды два типа комплексов плоскоквадратные 13, 14 и квадратно-пирамидальные 15, 17 с участием в координации атома азота хинолинового фрагмента. Согласно данным РСА, РСП пиразолальдиминатные полуацетатные комплексы 13, 14 (У=ОАс)

обладают близким строением. Координационный узел в металлохелатах 13, 14 (У=ОАс) имеет плоско-квадратную геометрию (рис. 6).

Один из атомов кислорода ацетатной группы непосредственно связывается с ионом меди (Си-0=1.97 А), а второй атом кислорода размещается на расстояниях 2.73 А (13), 2.72 А (14). Также как в металлохелате 9 (Я'=2-ОСНг РИ) эти значения меньше, чем в активном центре азурина. Длины связей Си-8=2.25 А, Си-8е=2.36 А близки к величинам, определенным для псевдотетраэдрических комплексов 9, 11. Тридентатно координированный с ионом меди лиганд 8 (Р'=<3ш) и атом хлора образуют также плоскоквадратный координационный полиэдр молекулы 14 (У=С1) (рис.7). В бис-хелате 15 (к'=Ош) атом меди, согласно данным РСА, амбидентатно хелатирован с двумя аминометиленовыми производными пиразола, образуя искаженный квадратно-пирамидальный координационный полиэдр (рис 8). Причем один из атомов азота хинолинового фрагмента участие в координации не принимает.

сг»—

Рисунок В. Строение комплекса 15 (К'=Оіп) Рисунок 9. Строение соединения 18. полученного при росте крис таллов.

Хотя состав координационного узла этого комплекса отличается от состава полиэдра «красного» активного центра нитрозоцианина, оба они обладают искаженной квадратно-пирамидальной геометрией. Длины связей Си-8=2.31А больше в среднем на 0.06 А, чем в металлохелате 13 (У=ОАс) и «красном» активном центре нитрозоцианина (Си-8(Су$)=2.2бА). В растворе ДМФА строение комплекса 15 (К'=0іп) трансформируется, о чем свидетельствуют

изменения в РСП. Анализ ХАЫЕЯ и ЕХАГ8 СиК края соединения 15 (R1=Qin) указывает на образование в растворе ДМФА плоско-квадратного окружения ионов меди в результате разрыва одной из связей, что согласуется с данными ЭПР спектроскопии.

Проведенные исследования комплекса 15 (Я'=С?іп) и его селенового аналога 17 (И'=С)іп) в твердой фазе методами РСП свидетельствовали о близости их структур. То есть металлохелат 17 (К'=(2іп) имеет искаженное квадратно-пирамидальное строение. При росте кристаллов соединения 17 (Я'=<3іп) из толуола, в результате ред-окс процессов, получился продукт, представляющий собой димерный комплекс 18 (рис. 9), атомы меди в котором соединены атомами кислорода образовавшейся молекулы 8сОз. Аминометиленовые лиганды связаны с ионом меди двумя атомами азота иминного, хинолинового фрагментов на расстояниях 1.95-2.04 А и атомом селена на расстояниях 2.382.41 А.

Замена донорного атома серы(селена) на кислород в вышеописанных бис-хелатах 15, 17 (К'=(2іп) приводит к искаженному октаэдрическому комплексу 16 (І^СЗіп). Об этом свидетельствуют результаты ЕХАР8(ХАЫЕ8), ЭПР и электронной спектроскопии.

С целью изучения влияния, которое оказывает природа металла комплексообразователя на структуру тиолатных комплексов с хинолиновым заместителем, были исследованы методами РСП, гетероядерной ЯМР спектроскопии, магнетохимии металлохелаты никеля (19), цинка (20) и кадмия (21). Исходя из полученных результатов, показано, что замещение атома меди в комплексе на атомы никеля, цинка и кадмия приводит к трансформации квадратно-пирамидальной геометрии координационного полиэдра на искаженную октаэдрическую. Исследование №, Ък\, Сё содержащих мутантов активного центра Т1 показали, что природа атома комплексообразователя влияет в основном на вторичные взаимодействия в металлопротеине, не оказывая существенного воздействия на геометрию центра, которая становится несколько более тетраэдрически искаженной, что объясняется жестким влиянием матрицы апобелка.

3.1.1 Спектральные свойства комплексов меди на основе аминомстиленовых производных пиразол - 5- тиона(она, сслснона)

Важнейшими параметрами, характеризующими «голубые» протеины, являются их спектральные свойства (рис.2). Низкие значения А// < 100 Гс в ЭПР спектрах - один из основных признаков купредоксинов, наиболее трудно воспроизводимый на уровне простых синтетических моделей. Исследование методом ЭПР металлохелатов показало, что, несмотря на различие параметров их анизотропных спектров, можно выделить две группы соединений. В первую входят комплексы типа 9-11, характеризующиеся

хорошо разрешенной сверхтонкой структурой (СТС). ЭПР спектры этих соединений характеризуются аксиальной или близкой к аксиальной анизотропией g фактора g_L>2.0) и с1х2_у2 - основным состоянием. В спектрах соединений 13-15, 17, образующих вторую группу, наблюдается отсутствие СТС на атоме меди или небольшие величины констант СТВ в параллельной ориентации (А//< ЮО Гс).

Анизотропные спектры комплексов 9, входящие в первую группу соединений, характеризуются близкими по величине параметрами. Это свидетельствует не только об одинаковом координационном окружении атома меди, но и о подобной геометрии Си^Бг хромофора. Значения g// и А//; наблюдаемые в ЭПР спектрах этих бис-хелатов лежат в интервале типичном для псевдотетраэдрических комплексов с СиЫ2Я2 хромофором. Наблюдаемые изменения константы СТВ и значения g///A// достаточно хорошо коррелируют с величиной двугранного угла между металлоциклами в бис-хелатах, с увеличением которого происходит уменьшение А„ и увеличения &//А//. Если сравнить ЭПР спектры плоско-квадратных металлохелатов 9 (Я'=С2Н4) и в различной степени тетраэдрически искаженных комплексов 9 (К'=А1к, Аг, НеО, то видно заметное возрастание значений §-фактора и уменьшение константы СТВ для последних.

9;К1=С2Н4 9;І*1=А1к, Аг, Неї

^2.123 (2.106), Ая= 184(188) Гс ^,=2.136-2.160 , А„=129-158 Гс

В аспекте моделирования активных центров медьсодержащих белков особо важный результат в первой группе соединений вытекает из сравнения спектральных свойств тиолатного комплекса 9 (Я'=СН2Р1і) и его селенового аналога 11 (К'^СН^РЬ). Такое сравнение дает возможность оценить факторы, влияющие на изменения спектральных характеристик при замещении атома 8(Суз) на Бе в активном центре азурина. Комплекс 9 (К'=СН2РЬ) и его селеновый аналог 11 (Я'=СН2Р1і) изоморфны и обладают псевдотетраэдрической геометрией координационного полиэдра. Связь Си-Б в бис-хелате 9 (К'=СН2Р1і) короче на 0.11 А, чем связь Си-Бе в комплексе 11 (Я'=СН2Р1і), в то время как расстояние Си-Ы идентичны. Такая же тенденция отмечалась при замещении Б на Бе в азурине. В ЭПР спектрах комплексов 9,11 также как и для вышеуказанных белков, наблюдается понижение

величины ц/, при переходе от комплекса с Си1Ч282 хромофором (ё//=2.153) к его селеновому аналогу ^//=2.131). Однако, в отличие от металлопротеинов, значение А//, которое возрастает почти в два раза в спектрах 8с(Суя) мутанта, для обоих соединений остается практически одинаковым (А//=136 Гс (Х=8), 131 Гс (Х=8е)). Из этого можно сделать вывод, что объяснение различий в ЭПР спектрах азурина и 8е(Су.?) мутанта только изменением спин-орбитального взаимодействия является недостаточным. Исходя из исследования модельных соединений, можно предположить, что на ЭПР характеристики азурина, меняющиеся при замене серы цистеинового остатка на селен, оказывает влияние искажение геометрии активного центра и реорганизация вторичных взаимодействий в металлопротеине.

Вариация набора донорных атомов в комплексах, в частности замещение атома Б на О и Бе приводит к ставшей классической закономерности изменения g// в ЭПР спектрах. Значения g// уменьшаются при переходе от металлохелатов с Си1Ч202 хромофором к соединениям с N282 и N2862 лигандным окружением. Отметим, что для азометиновых комплексов меди, которые содержат донорные атомы селена, характерны наименьшие величины обсуждаемого параметра. Полученные данные отражают тенденцию возрастания нефелоауксетического эффекта, повышения ковалентности и понижения электроотрицательности лигандов в ряду ^О^И/й^З^е^.

Металлохелаты 9 (Я=2-ОСН,), 15 (Я'=С2Н^(СН,)2) содержат в молекуле дополнительные О, N донорные центры ОСН3 и М(СН3)2 групп. Параметры ЭПР спектра соединения 9 (Я'=2-ОСН3) схожи с параметрами спектров исследуемых псевдотетраэдрических бис-хелатов 9 (И'=А1к, Аг, Неї). Повышенное значение А// по сравнению с величинами, наблюдаемыми в спектрах остальных соединений, свидетельствует о менее тетраэдрически искаженной структуре, что соответствует данным РСА. Наличие в молекуле 9 (Я'=2-ОСНз) двух атомов кислорода ОСН3 групп, расположенных на расстояниях 2.76 А от иона меди кардинально не сказывается на ЭПР характеристиках этого соединения. ЭПР спектры пластоцианина и азурина также достаточно близки и типичны для систем с аксиальной симметрией, хотя строение их координационных полиэдров различается. Если структуру пластоцианина характеризуют как псевдотетраэдрическую с удаленным расположением Б(МеІ), то атом меди в азурине имеет тригонально-бипирамидальное окружение с находящимися в отдалении атомами Б(Ме1) и О(СІу) (рис. 2). Иная ситуация наблюдается в спектрах комплекса 15 (Я'=С2Н4Ы(СН3)2). Координация атома азота Ы(СНз)2 фрагмента приводит к параметрам, которые отличаются от ЭПР характеристик псевдотетраэдрических металлохелатов, в частности соединения 9 (Гі'=2-ОСН3) и соответствуют тетрагональным комплексам меди.

.ЛЛ.

Л

л

. // \

V/

9; К'=2-0СН,РЬ В,р2.168,Л,^158Гс

15; Я'=С,Н^(СН,), ё„=2.178 , Л„=182 Гс

ЭПР спектры октаэдрических металлохелатов 16 (Я'=АпГ) (§//=2.267, А//= 160 Гс) и 16 (Я'=0т) (§//=2.262, А//=161 Гс), молекулы которых содержат донорные атомы кислорода и координационно-активные заместители, отличаются от спектра псевдотетраэдрического комплекса с СиН20-> хромофором 10 (1Г=СН2Р11) (ё//=2.234, А//=144 Гс). Параметры спин-гамильтониана соединений 16 (Я'=АпО, (К|=(2т) с СиМ204 и СиЫ402 хромофорами, несмотря на разный состав координационного полиэдра, близки между собой и находятся в диапазоне, наблюдаемом для псевдооктаэдрических комплексов меди (2+). Параметры, близкие к параметрам «голубых» медьсодержащих протеинов (А// < 100 Гс) наблюдались в анизотропных ЭПР спектрах комплексов 13-15, 17, включающих в молекулу, наряду с донорными атомами серы (селена), хинолиновый заместитель. Изотропные спектры этих соединений с хорошо разрешенными четырьмя линиями типичны для комплексов Си (2+). Значения как для тиолатных металлохелатов, так и для их селеновых аналогов практически совпадают (2.09 - 2.1), а величина А1 колеблется в районе 70-90 Гс. При замораживании растворов, в анизотропных спектрах наблюдается либо отсутствие константы СТС на меди, либо она принимает значение меньше 100 Гс, как например, в случае комплекса 15 (Я'^т) (рис. 10), который имеет по данным РСА квадратно-пирамидальное строение (рис.8). Однако количество линий СТС в параллельной ориентации больше, чем следовало бы ожидать для комплекса меди (2+).

Такой вид спектра можно объяснить, во-первых, если предположить, что в замороженной матрице присутствуют два типа парамагнитных соединений в соотношении 50:50 с ё//=2.19, 2.25 и константами СТВ 130 и 144 Гс. Другое объяснение можно связать с образованием в застеклованном растворителе межмолекулярных биядерных комплексов меди (2+), в которых реализуются обменные взаимодействия между парамагнитными центрами. Спектр металлохелата 15 (Я'=От) в стеклах ДМФА полностью трансформируется, демонстрируя параметры, характерные для тетрагональных

Рисунок 10. Анизотропный ЭПР спектр комплекса 15 (1*'=(3т)_

соединений меди с dx2_y2 -основным состоянием и хорошо разрешенную СТС с А//= 162 Гс. Полученные ЭПР характеристики подтверждают результаты РСП, которые свидетельствуют о том, что в ДМФА происходит разрыв одной из связей и квадратно-пирамидальный комплекс трансформируется в плоскоквадратное соединение.

Необычный тип анизотропных спектров ЭПР присущ только тиолатным и селенолатным металлохелатам меди. В то время как спектр их кислородного аналога 16 (R'=Qin) типичен для тетрагональных комплексов меди с четырьмя компонентами СТС. При этом следует отметить, что в отличие от спектров купредоксинов, где малые значения А// определяются высокой ковалентностью связи Cu-S в спектрах металлохелатов 13-15, 17 они обусловлены свойствами, описанными выше.

Значения g// в ЭПР спектрах синтезированных модельных тиолатных металлохелатов меди меньше, а А// больше, чем для купредоксинов. Однако для исследуемых соединений наблюдается понижение величины А// при переходе от плоских структур (например, 9 (R'=C2H4) к псевдотетраэдрическим комплексам типа 9 (R'=AIk, Аг), что демонстрирует тенденцию приближения к ЭПР характеристикам активного центра Т1 «голубых» белков.

В ЭСП всех металлохелатов, полученных в растворе CH2CI2, можно условно выделить две перекрывающиеся области поглощения. Коротковолновый диапазон от 260 до 350 нм, обусловленный внутрилигандными переходами (ВЛП) и область от 350 до 1000 нм, где проявляются полосы, которые относятся к переходам с переносом заряда и d-d переходам. Электронные спектры поглощения псевдотетраэдрических металлохелатов меди 9 (R'=Alk, Ar, Ant), включающих в молекулы донорные атомы серы и селена, характеризуются присутствием довольно интенсивных полос поглощения в области 350-400 нм (е=9000-14000 см"'-моль') и 500-700 нм (е=1500-3000 см" '•моль '), что приближает их спектральные параметры к параметрам активного центра Т1 купредоксинов. Однако интенсивность поглощения в районе 600 нм для медьсодержащего центра Т1 выше, чем в указанных металлохелатах. Подобная картина наблюдалась и в случае ранее описанных комплексов с CuN2S2 хромофором, а полосы были отнесены к переходам с переносом заряда лиганд металл (ПЗЛМ) a (S)—*d Си (2+) и rc(S)—*d Cu(2+), соответственно. С целью установления природы переходов нами были проведены квантовохимические расчеты (DFT - TD-DFT) спектров соединений 9 (R'=CH2Ph, Qin). Экспериментальные и расчетные спектры имеют достаточно хорошее совпадение. Данные расчетов показали, что природа полосы в районе 670 нм определяется главным образом переходами с трех делокализованных молекулярных орбиталей (МО), включающих как атомные орбитали (АО) металла, так АО серы и азота азометиновой связи, на низшую свободную молекулярную орбиталь (однократно занятую) НСМО. Полоса при 550 нм

обусловлена переходами с четырех делокализованных МО с равным вкладом, причем в построении одной из них не принимают участия атомные орбитали серы. Поэтому отнести переходы конкретно только к переходам S—»Си нельзя. Еще более сложная картина наблюдается для полосы в районе 350 нм. В этом случае переходы происходят также с делокализованных орбиталей, вклад в которые вносят как АО серы и металла, так и других атомов лигандной системы, в основном на НСМО. НСМО обоих соединений 9 (R'=CH2Ph, Qin) имеет близкий характер и состоит главным образом из (/-орбиталей металла, р-орбиталей атомов серы и азота азометиновой связи.

С увеличением тетраэдрического искажения металлохелатов 9 (R'=Alk, Аг, Het) наблюдается батохромное смещение огибающей длинноволновой полосы. Аналогичная ситуация отмечена для трициклических комплексов, и объяснялась понижением энергии однократно занятой МО в результате тетраэдрического искажения хелатного узла.

Замещение атома S в цистеиновом фрагменте молекулы азурина на Se приводит не только к изменениям параметров ЭПР спектров, но и характеристик ЭСП. В ЭСП наблюдается смещение полосы ПЗЛМ приблизительно на 50 нм в длинноволновую область. Сравнение спектров металлохелатов на основе аминометиленовых производных пиразол-5-тиона 9 (R'=CH2Ph, 2-OCH3Ph, Ant) и их селеновых аналогов 11 (R'=CH2Ph, 2-OCH3Ph, Ant) показало аналогичную тенденцию, как и в случае природных объектов. Длинноволновые полосы, наблюдаемые в спектрах тиолатных комплексов при 600-700 нм, смещаются на 20-40 нм в «красную» область при переходе к бис-хелатам с N,Se лигандным окружением. Сравнение ЭСП комплексов с CuN2S(Se)2 хромофором с их кислородными аналогами показывает, что в ЭСП последних в области 600 нм полос не наблюдается. Данный факт подтверждает вклад орбиталей атомов серы (селена) металлохелатов в МО, которые участвуют в соответствующих переходах, обуславливающих появление полос в диапазоне 500-700 нм. Бис-хелаты с CuN202 хромофором характеризуются наличием в ЭСП полосы средней интенсивности в районе 450-500 нм, которую можно отнести к переходам с переносом заряда О—>Си или Си—»О. ЭСП металлохелатов 13-15 (R'=C2H4N(CH3)2, Qin), 17 (R'=Qin), которые содержат координационно-активный заместитель, отличаются от спектров псевдотетраэдрических соединений с CuN2S(Se)2 хромофором. Несмотря на разное строение комплексов (плоско-квадратное и квадратно-пирамидальное) их спектры достаточно похожи. Они характеризуются наличием интенсивной полосы в диапазоне 300-430 нм и очень слабым поглощением в области 500800 нм. Отсутствие полос средней интенсивности при 500-700 нм является основным отличием этих соединений от изученных псевдотетраэдрических комплексов. Следует отметить, что уменьшение концентрации раствора (5-Ю 5) комплекса 15 (R'=Qin) в 2 раза приводит к изменениям в ЭСП, что, вероятно, связано с разрывом одной из связей. Поглощение в интервале 300-400 нм,

наблюдаемое в спектрах квази-планарных и квадратно-пирамидальных комплексов, содержащих тиолатные и тиоэфирные координированные группы, в литературе обычно связывают с переходом ПЗЛМ cS—>d Си, а полосы в области 500-800 нм в основном ассоциируются с d-d переходами. По нашему мнению, полосы, наблюдаемые в растворах изучаемых комплексов в коротковолновой области (300-430 нм) обусловлены переходами, как с ПЗЛМ ctS—*d Си, так и переходами с участием МО, включающих АО гетероциклического заместителя и аминометиленового фрагмента. Малоинтенсивное поглощение в длинноволновой области определяется совместно d-d переходами и ПЗЛМ nS—*d Си. Малая интенсивность последних по сравнению с псевдотетраэдрическими металлохелатами, объясняется слабым л перекрыванием d орбиталей металла с орбиталями серы. По сравнению с псевдотетраэдрическими металлохелатами замещение атома S на Se в комплексах меди с хинолиновым заместителем, приводит к незначительному батохромному сдвигу (5-10 нм) полос при 600-800 нм. Анализ низкоэнергетической области поглощения, которая определяется вкладами d-d переходов, металлохелатов меди 13, 14, обладающих плоскоквадратной геометрией координационного полиэдра и соединений 15, 17 с квадратно-пирамидальным строением показывает, что полосы поглощения для последних смещаются в длинноволновую область. Спектр пентакоординированного металлохелата 15 (R'=Qin) сильно отличается от спектров купредоксинов и больше напоминает спектр «красного» активного центра нитрозоцианина. Природный белок характеризуется наличием полос поглощения при 290 нм, 390 нм, 500 нм и 720 нм. В спектре комплекса полосы в диапазоне 300-500 нм смещены в коротковолновую область приблизительно на 50 нм, а вместо более интенсивной полосы при 720 нм проявляющейся в ЭСП нитрозоцианина наблюдаются две слабовыраженных полосы поглощения при 636 нм и 845 нм.

3.2. Строение и свойства азопроизводных пиразол — 5-опа (шона, амино) и комплексов меди на их основе.

Исходя из поставленной цели: изучение изменений строения и спектральных характеристик металлохелатов при варьировании атомов лигандной системы, образующих вторую координационную сферу, были синтезированы азопроизводные пиразол-5-она (тиона, амино) 23-25 (схема 2). Согласно данным ЯМР, ЭСП спектроскопии, РСА (соединения 23 (R=Ant, 1 -CH3-Bz), 24 (R=2,4,6-(CH3)rPh) и квантово-химических расчетов азопроизводные пиразол-5-она(тиона) имеют кето(тион)гидразонную форму, за исключением соединений, молекулы которых содержат бензимидазолиновый фрагмент 23 (R=Bz). Для них характерна кетоазиновая таутомерная форма. Взаимодействие о-гидрокси(меркапто) азосоединений с солями металлов приводит к

образованию комплексов, в которых может реализовываться внутрихелатная изомерия, связанная с реализацией пяти- и / или шестизвенных металлоциклов. Реакции азосоединений 23-25 с солями меди осуществляли в аналогичных условиях, как и в случае с аминометиленовыми лигандами (схема 2).

мх,

пн,о

N

23: Х=() 24: Х=Я 25: Х=М<3.

х МсОН(ШОН) ИаОМе (ЫаОКО

К-=Н. Лік. Аг

К=№, 2,4,6-(СН3)3-1>|1 4-СН,-№. СпНпЫ,0 (Ап1). С,,Н6Ы (Оіп).

С,,НцЫ, О-СДДСН^-Вг),

N * I . К

26: Х=0 27: Х=Я 29: Х=ЫК:

ч1 = М >

Н/,=

СО

ГИ І Си

ХхУг

27

28

Схема 2. Взаимодействие азопроизводных пиразола с ацетатом и хлоридом меди.

Азопроизводное 24 (К=2,4,6-(СН3)3-Р1і) реагирует с ацетатом меди подобно аминометиленовому аналогу 2 с формированием моноядерного

парамагнитного комплекса 27 (Я=2,4,6-(СН3)3-Р1і) и диамагнитного соединения 28, структура которого была доказана РСА (рис. 11).

Магнетохимические исследования комплексов в твердой фазе в интервале температур 77-300 К показали обычные для моноядерных металлохелатов меди значения магнитных моментов (1.76-1.99 МБ), кроме диамагнитного соединения 28. Исследования методами РСА, РСП, ЭПР и ЭСП показали, что комплексы на основе азосоединений содержащие при экзоциклических атомах азота и их аминометиленовые аналоги являются

"•■«¿^ " А Т

а

-"Г

Рисунок 11. Молекулярное строение соединения 28_

пиразол-5-она (тиона), арильные заместители, изоструктурными и близкими по строению. Соединение 26 (11=2,4,6-(СНз)з-Р11) имеет сильно уплощенную геометрию хелатного узла с транс расположением атомов кислорода (рис. 12а). Металлохелат 27 (Я=2,4,6-(СНз)з-Р11) обладает псевдотетраэдрическим строением с цис расположением донорных атомов

серы (рис 126), так же как комплекс 29 (К=4-СНГРЬ, К2=СЛН4ООСНз-п), где в качестве донорных центров выступают атомы азота замещенной аминогруппы (рис. 12в).

м ал; Г Л ™ 4с а « "Ж " „О" 1 I С1Г б «а " " в

Рисунок 12. Молекулярное строение комплексов 26 (а), 27 (б) (К=2,4.6-(СН.,).1-РЬ). 29 (Я=4-СН.1-РН, Р{2= 0,Н4(Х)СНгп) (в)

Введение в молекулу металлохелатов атома азота вместо СН фрагмента приводит к незначительному уплощению координационного полиэдра. В соединениях 26, 27 , 29, наблюдается реализация двух шестичленных металлоциклов, и отсутствуют молекулы с координацией атомов N01, приводящей к образованию пятичленных металлоциклов. Замещение донорного атома кислорода на серу и ИГ?2 фрагмент, так же как в вышеописанных азометиновых металлохелатах пиразола, приводит к увеличению тетраэдрического искажения координационного полиэдра. При этом двугранный угол между металлоциклами изменяется в последовательности а длина связи меняется в

ряду Си(НК2)4>СиН202>СиН282. Расстояния Си-0(8), Си^ в комплексах на основе 4-арилазопроизводных имеют значения близкие к наблюдаемым величинам в их азометиновых аналогах.

Исследования металлохелата 26 (К=2,4,6-(СНз)з-РЬ) в твердой фазе и в растворе ДМФА методом РСП показали, что спектры азокомплекса и его азометинового аналога достаточно похожи. Строение обоих соединений -сильно уплощенное близкое к планарному - сохраняется в жидкой фазе. Структурные количественные данные (Си-И/О) для ближайшего лигандного окружения ионов меди комплекса 26 (Я=2,4,6-(СНз)3-РЬ), рассчитанные из ЕХАРв спектров его раствора в ДМФА, имеют среднее значение близкое к величине (совпадающей с данными РСА), которое было получено для образца в кристаллическом виде с точностью до ошибки эксперимента 0.01-0.02 А. Азопроизводные пиразол-5-она, содержащие координационно-активные заместители образуют при взаимодействии с солями меди гексакоординированные комплексы с СиМ204 и СиЫ402 хромофором (рис.13).

Для всех соединений характерна деформированная октаэдрическая геометрия координационного полиэдра с существенно удлиненными двумя связями Си-О (Си-Ы).

Подобные структуры установлены на основе данных РСП, ЭПР, ЭСП для азометиновых аналогов. Если в молекулах металлохелатов ЗО (к=Ат, Оіп) (рис. 13а,б), реализуются пяти- и шестичленные металлоциклы с участием атома N(3, то для комплекса с бензимидазольным заместителем 30 (К=1-С4Н9-Вг) (рис. 13в) наблюдается координация атома Ыа с образованием только пятичленных металлоциклов.

Анализ EXЛ[:S(XANES) металлохелата 30 (R=Qin), полученных в твердом состоянии и в растворе ДМФА, свидетельствует о схожести их со спектрами гексакоординированного азометинового аналога и сохранении геометрии координационного полиэдра в жидкой фазе.

Введение в молекулу азокомплекса ЗО (Я=Оіп), вместо донорного атома кислорода атома серы, приводит к трансформации псевдооктаэдрической структуры в квадратно-пирамидальную 31 (Я=Оіп) (рис. 14а). Такая же тенденция наблюдалась и в случае азометиновых аналогов. Однако, в отличие от комплекса 15 (к=(^іп), где хелатный узел включает в себя два шестичленных и один пятичленный металлоцикл, в азопроизводном меди 31 реализуются два пятичленных металлоцикла и один шестичленный. Расстояния Си-Б (2.253А, 2.356А) в молекуле металлохелата 31 ^=С)іп) по сравнению с его азометиновым аналогом 15 значительно различаются между собой. Замещение донорного атома кислорода на серу в соединении меди 30 (К=1-С4Н9-В7,), содержащем бензимидазольный фрагмент, не меняет псевдооктаэдрической геометрии хелатного узла (рис. 146). Однако по сравнению с кислородным аналогом 30, где искажения координационного полиэдра приводят к увеличению расстояний между ионом меди и двумя донорными атомами кислорода лиганда, в молекуле комплекса 31 (К=1-С4НЧ-Вг) удлиняются две связи Си-8 (2.89 А) и Си-Ы (2.32 А).

С целью изучения влияния, которое оказывает природа атома металла на строение комплексов, включающих в молекулу хинолиновый заместитель, были синтезированы никелевые 32, цинковые 33 и кадмиевые 34 металлохелаты.

СІ а б в

Рисунок 14. Молекулярное строение комплексов 31 (К=(}іп (а), 1-С4НсгВг (б)). 34 (К=(3ін)(в)

В отличие от комплексов меди, соединения никеля, цинка и кадмия имеют псевдооктаэдрическую геометрию. Согласно данным РСА в молекуле 34 (К=(2т) реализуются два пятичленных и два шестичленных металлоцикла, при этом в координации участвуют атомы N0 азосвязи (рис. 14в). Строение металлохелатов Ъх\ и Сс1 сохраняется и в растворе, о чем свидетельствуют результаты исследований методом гетероядерной ЯМР спектроскопии. Псевдооктаэдрическая геометрия координационного полиэдра, как было показано выше, присуща и для азометиновых аналогов.

Исследование методом ЭПР металлохелатов 26-31 показало, что их изотропные спектры имеют хорошо разрешенную СТС из четырех линий и типичны для соединений Си (2+). На высокопольных компонентах для большинства из них наблюдается ДСТС на атомах азота. В спектрах соединений 26, 27 (И=Р11), 29 (Я=РЬ, Я:=Н), в молекулы которых были введены меченные атомы в р -положение азогруппы, отмечены ДСТС на ядре |51Ч, что однозначно указывает на реализацию шестичленных металлоциклов и координацию меди по атому Ыр фрагмента.

Анизотропные спектры тетракоординированных комплексов, полученные в стеклообразных матрицах растворителя, характерны для соединений меди с аксиальной или близкой к ней симметрией и с1х2_у2 (ё//>§±) основным состоянием. Анализ спектров комплексов 26, 27, 29 показывает, что тенденции изменений параметров спин-гамильтониана такие же, как и для азометиновых комплексов пиразол-5-она(тиона). Так значения g// уменьшаются при переходе от комплексов с СиЫгСЬ хромофором к металлохелатам с Си^, СиЫ282 хромофорами. Величина А/; уменьшается с увеличением тетраэдрического искажения координационного полиэдра. Наименьшее значение А// равное 124.7 Гс в ряду исследованных тетракоординированных азометиновых и

азокомплексов с CuN2S-> хромофором наблюдается для соединения 27 (R=Ph, R =i-Pr), что приближает этот параметр к характеристикам активного центра купредоксинов.

Значения g„ и A// (g„ = 2.17-2.18, А/, = 100-160 Гс) в серии комплексов с замещенной аминогруппой 29 (R~=Alk, Аг) характерны для соединений с тетраэдрически искаженной координацией атома меди. Заметное увеличение g//A// и уменьшение А/, (до 99 Гс) для комплекса 29 ^2=С6Нп-цикло) может быть вызвано большей степенью тетраэдрического искажения, чем обнаруженная в структуре комплекса 29 (R=4-CH3-Ph, R = С6Н4ООСН3-н). Наблюдаемая величина Ац очень близка к величинам, найденным для медьсодержащего центра Т1 лакказы и церулоплазмина. Комплексы 29 (R2=H) с незамещенной аминогруппой демонстрируют понижение величины g//A// до (139-153) и заметное повышение значений Ац до 141-157 Гс, по сравнению с хелатами 29 (R~=Alk, Аг). Это указывает на изменение геометрии координационного полиэдра в сторону плоских структур. Параметры спин-гамильтониана металлохелата с CuN4()2 хромофором 30 (R= 1 -C4H9-Bz) близки к параметрам азометинового комплекса 16 (R'=Qin) с хинолиновым заместителем, обладающего таким же составом хелатного узла и псевдооктаэдрической геометрией.

В анизотропном спектре азокомплекса пиразол-5-тиона 31 (R=Qin), также как в случае азометинового металлохелата 15 (R'=Qin) наблюдается низкое значение А/, =70-85 Гс.

Таким образом, замещение СН группы азометиновой связи на атом азота в металлохелатах незначительно влияет на характеристики ЭПР спектров. Основные факторами изменяющими параметры спин-гамильтониана являются природа донорных атомов и геометрия координационного полиэдра. ЭСП азокомплексов характеризуются высокоинтенсивными полосами, связанными с внутрилигандными переходами, которые наблюдаются в области 300-500 нм и поглощениями в районе 600-800 нм, обусловленными переходами с ПЗ и d-d переходами. Первые из них претерпевают батохромное смещение по сравнению с полосами азометиновых аналогов приблизительно на 60 нм. При этом для большинства азосоединений происходит экранирование полосами ВЛП полос в районе 600 нм. В спектрах тетракоординированных азокомплексов 27 (R=Ar), содержащих донорные атомы серы, проявляются интенсивные полосы в диапазоне 600-750 нм, которые в первом приближении определяются переходами с ПЗ S—>Си. Для кислородсодержащих азокомплексов 26 в этой области наблюдается очень слабое поглощение. Аналогичная картина отмечалась для азометиновых соединений меди описанных выше. Полосы, связанные с переходами О—»Cu/Cu—»О, которые проявляются в спектрах пиразолальдиминатных металлохелатов в районе 450500 нм, в ЭСП азопроизводных перекрываются полосами ВЛП. В ЭСП комплексов 29 зафиксированы полосы поглощения, вероятно, образованные

перекрыванием полос ПЗ N—»Си (2+) и d-d переходов в области 600-800 нм. Причем поглощение в районе 600 нм экранировано интенсивной полосой ВЛП при 400 нм и проявляется лишь в виде плавного плеча. Влияние тетраэдрического искажения для комплексов 29 (R2=Alk, Аг), содержащих в качестве донорной группы замещенный аминный фрагмент, по сравнению с соединениями 29 (R2=H) выражается в сдвиге полос в районе 600 нм в красную область до 620-655 нм, сопровождаемому изменением их интенсивности, а также в появлении слабых полос поля лигандов в субинфракрасной области при 1400-1600 нм.

В отличие от тетракоординированных серосодержащих азосоединений, спектры квадратно-пирамидального азокомплекса с CuN3S2 хромофором 31 (R=Qin) характеризуются наличием малоинтенсивных полос в низкоэнергетической области 600-800 нм. Такая же тенденция была отмечена для азометиновых соединений меди. При этом самая длинноволновая полоса при 812 нм смещена на 34 нм в высокочастотную область спектра по сравнению с таковой азометинового аналога 15 и приближается к полосе «красного» активного центра нитрозоцианина. Это можно объяснить большим тетрагональным искажением азокомплекса по сравнению с его азометиновым аналогом, связанным с удлинением аксиальной связи Cu-N. Такая тенденция отмечалась для ряда пента и гексакоординированных соединений меди. В ЭСП соединения с CuN4S2 хромофором 31 (R=l-C4Hc)-Bz), включающего в молекулу бензимидазольный заместитель, вероятно, поглощения в районе 600 нм экранированы высокоинтенсивными полосами ВЛП. Выше 600 нм, также как для его кислородсодержащего аналога 30, полос не наблюдалось, что отличает их от комплексов с хинолиновым заместителем.

Таким образом, замена CH=N хромофорной группы на N=N- фрагмент в комплексах приводит к смещению полос, обусловленных внутрилигандными переходами в «красную» область и экранированию ими поглощений, связанных с переходами ПЗ. В спектре пентакоординированного азосоединения меди наблюдается гипсохромное смещение самой длиноволновой полосы по сравнению с азометиновым комплексом, приближая ее к полосе «красного» активного центра нитрозоцианина.

3.3 Строение и свойства р-аминовиііі{лтионов(кстоііов) и их комплексов

Выше было показано, что аннелирование к металлоциклу пиразольного фрагмента повышает устойчивость комплексов меди (2+) с N,S лигандным окружением по сравнению с металлохелатами тиосалицилового альдегида. В этой связи представляется актуальным оценить факторы, стабилизирующие комплексы меди (2+) с донорными атомами серы, в отсутствии аннелированного пиразольного фрагмента. Наиболее перспективными

лигандными системами для решения поставленной задачи являются р-аминовинилтионы 35.

Р-Аминовинилтионы 35 и Р-аминовинилкетоны 36 согласно данным ИК, ЯМР спектроскопии существуют в аминокетонной(тионной) форме. Взаимодействие Р-аминовинилтионов 35 (К=А1к, Аг) с ацетатом меди (схема 3, А) в результате окислительно-восстановительных процессов приводит к образованию дисульфидов и трудно идентифицируемых соединений одновалентной меди. Аминометштеновые производные пиразол-5-тиона 1, 2 с аналогичными заместителями (за исключением при экзоциклическом

атоме азота, как было показано выше (схема 1), в тех же условиях образуют металлохелаты меди (2+), что свидетельствует о повышение их ред-окс устойчивости в результате аннелирования к металлоциклу пиразольного фрагмента. Стабильные Р-аминовинилтионатные комплексы меди (2+) 37, 38 были получены в результате введения в молекулу серосодержащих соединений 35 (Я=Оіп, 2,4-(СНз)2-С)іп) хинолиновых заместителей (схема 3, Б).

М=Си. 35: Я=АІк. Аг

--Ь-Я-Я-Ь + Си( I +) А

42: Х=0

43: М=№

М(ОАс), пН,0

37: К<=К4=Н

35: Х=8. К=А1к, Аг. Ни м=Си- Мі, 35: 36: Х=0. И=Аг. Не! А1к=СН,. СН,РІі

Аг=РІі, 4-СН,(ОСН,)РЬ. С10Н7 (ЫаЙ) Не1=С„Н,^(0іп). 2,4-(СН,)3-Оіп

К'=Н. СН,: СІ. Вг

МеОН (ЕЮН)

Схема 3. Синтез комплексов меди 37-40 и никеля 41-43

Следовательно, при отсутствии в лиганде аннелированного гетероциклического фрагмента ингибирования ред-окс процессов и повышения устойчивости тиолатных металлохелатов меди можно достичь в результате присоединения заместителей, которые содержат дополнительный

донорный центр, расположенный в благоприятном для координации местоположении.

С целью установления влияния природы донорных атомов и дополнительного донорного центра на строение и спектральные характеристики комплексов были синтезированы соединения 39, 40.

Металлохелаты 37-40 в твердой фазе обладают обычными для моноядерных комплексов меди (2+) значениями магнитных моментов. По данным РСА (рис. 15а) и РСП р-аминовинилтионаты меди 37, 38 имеют искаженное плоскоквадратное N^08 окружение атома меди. Расстояния Си-Я (2.25 А для 37 (ЕХАИЗ), 2.249 А для 38 (РСА)) близки к значениям, найденным для полуацетатного комплекса 13 (У=ОАс). В молекуле соединения 38 наблюдаются большие искажения координационного полиэдра, чем в молекуле металлохелата 13 (У=ОАс).

Замещение атома серы в хинолинсодержащем (3-аминовинилтионе на атом кислорода приводит к кардинальным изменениям в строении комплекса. В результате взаимодействия (3-аминовинилкетона 36 (Я=(2т, Я'=Н) с ацетатом меди образуется необычный пентакоординированный металлохелат 39 (Я'=Н).

Ц 0« ?3

а б

Рисунок 15. Строение комплексов 38 (а), 39 (К'=Н) (б)

Согласно результатам РСА (рис.156) соединение 39 (К'=Н) образовано двумя молекулами лиганда, тридентатно и бидентатно связанными с ионом меди. Причем одна из них координирована с металлом атомами азота азометиновой связи, хинолинового фрагмента и кислорода, а вторая только атомами азота. В результате формируется сильно искаженный квадратно-пирамидальный координационный полиэдр. Величины и распределения длин связей в органической части молекулы свидетельствуют о том, что одна молекула лиганда находится в иминоенольной форме, а вторая в кетоаминной. Близкий характер ХАЫЕЯ, ЭПР и УФ спектров указывает на подобное строение металлохелата 39 (Я'=СН3). Замена хинолинового заместителя в соединениях меди 39 на нафталиновый фрагмент приводит к плоско-квадратным

комплексам 40 (R'=H, СН3), что однозначно подтверждается изменениями в XANES.

ЭПР исследования металлохелатов 37-40 показали, что их изотропные спектры имеют хорошо разрешенную СТС из четырех линий. На высокопольных компонентах для некоторых из них наблюдается ДСТС на атомах азота, что свидетельствует о связывание их с ионом меди. Анизотропный спектр металлохелата 37 с CuN2OS хромофором, включающего в молекулу хинолиновьгй заместитель при атоме азота азометиновой связи, также как спектры тиолатных комплексов пиразола, характеризуется малой величиной А//.

Параметры спин-гамильтониана (g,/=2.23-2.62, А//=140-173 Гс) соединений 39, 40 соответствуют тетрагональным комплексам меди. Причем для плоскоквадратных соединений с нафталиновым заместителем значения А/, (163 Гс, 173 Гс) больше, чем для квадратно-пирамидальных металлохелатов 39 (А//=140 Гс, 149 Гс).

ЭСП (3-аминовинилтионатов меди 37, 38 характеризуются наличием двух интенсивных полос в диапазоне 330-460 нм, которые, вероятно, связаны с внутрилигандными и gS—>Cu переходами, а также малоинтенсивного асимметричного протяженного плеча в области 580-610 нм (£=300-350), отнесенного к d-d переходам. В то время как в спектрах комплексов 39 (R'=H, СН3) наблюдается одна широкая полоса около 400-451 нм и малоинтенсивное поглощение (s=200-270) в интервале 680-770 нм, причем в случае соединения 39 (R =СН3) они смещены в коротковолновую область на -50-70 нм. В ЭСП плоско-квадратных соединений 40 присутствуют две полосы в районе 300-360 нм и широкое диффузное малоинтенсивное плечо около 600 нм. Введение в молекулу металлохелата метального заместителя (R'=CH3) приводит к меньшему гипсохромному сдвигу полос (-10 нм), чем это отмечалось для комплексов 39.

Магнетохимические измерения в совокупности с данными ЯМР спектроскопии и РСА (рис. 16) показали, что в отличие от комплексов меди 3739 изолигандные металлохелаты никеля 41, 42 независимо от природы донорных атомов и заместителей имеют октаэдрическое строение. В спектрах ЯМР 'Н растворов соединений 41, 42 наблюдается расширение шкалы химических сдвигов и парамагнитное уширение сигналов протонов лигандной системы, что позволяет предположить о сохранении геометрии координационного полиэдра. Низкоспиновый характер комплексов никеля 43 (R'=H, СН3) как

Рисунок 16. Строение комплекса 42(R'=R"=R-=R4=H)_

в твердом состоянии, так и в растворе указывает на их плоско-квадратное строение, которое реализуется и в изолигандных бис-хелатах меди 40. Наличие тиоэфирного лиганда в купредоксинах (активные центры Т1 и СиА) играет ключевую роль в кинетике быстрого переноса электронов. В отличие от купредоксинов, дофамин-Р-монооксигеназа (DpM), пептидил-альфа-гидроксилирующая монооксигеназа (РНМ) выполняют другие биохимические функции, которые связанны с каталитическими реакциями гидроксилирования биологических субстратов, приводящих к нейромедиаторам/гормонам.

Структурные, биохимические и химические данные свидетельствуют о присутствии Met фрагмента в Сим активном центре (рис 17) этих ферментов, именно в котором кислород связывается с атомом меди, инициируя окисление субстрата. Предполагается исключительно большое значение тиоэфирой группы в этих процессах, но при этом остаются дискуссионными вопросы, связанные с её устойчивостью в присутствии сильного окислителя-кислорода, влиянием на структуру, спектральные параметры, реакционную способность протеинов. Учитывая вышесказанное, изучение координационной способности и влияния тиоэфирной группы на строение металлохелатов и их физико-химические свойства представляется весьма актуальным.

ß-Аминовинилкетоны 44, 45, также как соединения 35, существуют преимущественно в аминокетонной форме. Об этом свидетельствуют данные ИК, ЯМР спектроскопии и РСА (соединение 45 (R2=CH3)). Для исследования координационных свойств тиоэфирного фрагмента в зависимости от природы лигандной системы и металла комплексообразователя были синтезированы ß-аминовинилкетонаты меди 46, 47 и никеля 48,49 (схема 4).

На основании данных РСА (рис. 18) было показано, что атомы серы тиоэфирного фрагмента в металлохелатах меди располагаются на расстояниях 3.3-3.5 А, не образуя обычной связи с ионом металла, что отличает их от разнолигандных салицилальдиминатных комплексов меди, где такая связь реализуется. Полученные расстояния Cu-S превышают длину связи Cu-S(Met) в азурине (Р. aeruginosa) и в активном центре Сим РНМ приблизительно на 0.16-0.5 А и 0.6-0.8 А, соответственно.

S(Met)

; 2.68 А-2.71 А Си-.

(His)N I N(His)

_O(Solv)_

Рисунок 17. CuM центр РНМ_

Схема 4. Синтез комплексов меди 46, 47 и никеля 48, 49.

Введение метального заместителя в кетонный фрагмент молекулы меняет конфигурацию хелатного узла. Если в соединении 46 (Я2=РИ), где отсутствует метальный заместитель в кетонном фрагменте, атомы серы расположены в ш/}£///с-положении, образуя угол 8СиЯ= 160.3°, то наличие такого заместителя в комплексе 47 (Я =РИ) приводит к изменению конформации молекулы, где атомы серы находятся в г/мс-положении (угол 8Си8=72°). При этом происходит деформация координационного полиэдра и увеличение на 0.03А расстояний Си-Ы.

а СЗО б

Рисунок 18. Строение комплексов меди 46 (а), 47 (б) (Я"=РЬ) Рисунок 19. Строение комплекса никеля 48 ІЇ^РІї

Исследование методом РСП комплексов 46, 47 (Я2=СН3, РЬ) показали, что для всех соединений характерна в различной степени искаженная планарная геометрия хелатного узла, а полученные средние значения расстояний Си-Ы/О (1.94-1.95 А) близки к длинам связей, найденным методом РСА.

Изотропные ЭПР спектры соединений 46, 47 имеют хорошо разрешенную СТС из четырех линий от ядер меди. На высокопольных компонентах наблюдается ДСТС от двух атомов азота с Aj(N)=ll-12 Гс. В анизотропных спектрах наблюдается ромбическая анизотропия g фактора, определить которую из-за наличия СТВ с атомами азота затруднительно. В спектрах комплексов 47 (R2=CH3, Ph) на параллельных компонентах и между ними наблюдаются мультиплеты. Это свидетельствует о том, что соединения искажаются в матрице растворителя и существуют в нескольких формах. Параметры спектров ЭПР комплексов 46, 47 (g„ =2.22 -2.23, А//=157-173 Гс) близки к ЭПР характеристикам активного центра CuM (g// =2.25 -2.29, А„=142-162 Гс). ЭСП Р-аминокетонатов меди 46, 47 имеют близкий характер. На вид спектров практически не оказывает влияние заместители (R2=CH3, Ph) у атома серы, основные изменения вносит R'=CH3 в кетонном фрагменте. Так полосы при 375 нм, зарегистрированные в спектрах металлохелатов 46, сдвигаются в коротковолновую область приблизительно на 20 нм при введении в молекулу СН3 группы (соед. 47). В длинноволновой области спектров проявляются широкие малоинтенсивные полосы d-d переходов в районе 608-652 нм, которые характерны для искаженных плоско-квадратных комплексов с CuN202 хромофором.

Замещение атома меди на атом никеля приводит к следующим изменениям в строении координационного полиэдра. Металлохелаты никеля 48 с отсутствием метильной группы в кетонном фрагменте молекулы лиганда, образуют парамагнитные соединения (цЭфф = 2.9-3.14 М.Б.), обладающие цис-октаэдрической структурой (рис.19). Октаэдрическая структура металлохелатов 48 сохраняется и в растворе, о чем свидетельствует расширение шкалы химических сдвигов в ЯМР 'Н спектрах и парамагнитное уширение сигналов протонов. Комплексы 49, содержащие метальный заместитель в кетонном фрагменте молекулы лиганда, диамагнитны как в твердой фазе, так и в растворе. Это указывает на их планарное строение, что отличает металлохелаты 49 от вышеописанных хинолинсодержащих соединений никеля 42. Полученные результаты подтверждаются данными EXAFS спектроскопии. Если в спектрах октаэдрических комплексов 48 четко проявляются расстояния Ni-S, а полученные характеристики находятся в хорошем соответствии с данными РСА, то для планарных соединений никеля 49 координации атомов S тиоэфирных групп не наблюдается, а вычисленные параметры наиболее хорошо подходят для тетракоординированного соединения.

Таким образом, показано, что координационные свойства атомов S тиоэфирных фрагментов находятся в прямой зависимости от природы лигандной системы и атома комплексообразователя.

3.4. Строение и аминовинилиминов.

свойства комплексов меди на основе ß-

Присоединение и активация кислорода металлопротеинами и их синтетическими аналогами занимает одно из приоритетных мест в бионеорганической химии. Медьсодержащие белки, которые связывают и/или активизируют кислород, выполняют множество важнейших биологических функций. Например, гемоцианин (Не) обратимо взаимодействует с кислородом, участвуя в его транспорте. Галактоза, глиоксаль оксидазы (GAO и GLO) наряду с дегидрированием органических субстратов выполняют функцию восстановления кислорода в перекись водорода. Практически одновременно с группами Tolmana W. и Yokota S. были начаты нами исследования реакций аминовинилиминов с солями меди. ß-Аминовинилимины 50,51 по данным ЯМР 'Н спектроскопии и результатам РСА (соединение 50) находятся в аминоиминной таутомерной форме. В результате взаимодействия соединения 50 с хлоридом меди выделен продукт 52а (схема 5(1)).

СиП, • 211,()

R /

=N

II -/

—N

\

R

R=2.6-(i-l'r),C,l

50: к1 51; r'=

=l>h

V 9ч Ли

4 N О N R R 52 a

I-lOH

C„H„

R

/

■=N

C^u C1 •N

526

R4

N=\ Ph

l=\ Ph > ?

И p-f«-n'

(II

CuCI,* 211,0

Си(СК)4), • fiH.O

У- Rv

ч/у ^

N CI NR R 54 •()

(2)

.R

«'"t'^H

Ph \=N

Ph

53

R

(),N

Си/,

'N

55 к=2.6-(м>г),с1,м,

Схема 5. Взаимодействие Р-аминовинилиминов с солями меди.

Комплекс 52а в растворах диссоциирует с образованием моноядерного соединения 526. Об этом свидетельствуют результаты исследований методами ЭПР и электронной спектроскопии. ЭПР спектр продукта 52 в Ме-ЮТ представляет собой широкую несимметричную линию с §¡=2.09. Анизотропный спектр, полученный в стеклообразной матрице растворителя при 120 К имеет следующие параметры: =2.23, gx=2.02, А//=131 Гс (рис. 20), что дает основание отнести спектр к моноядерному комплексу меди (2+).

Полученные параметры спин-гамильтониана очень близки к характеристикам описанного р-аминовинилиминатного трехкоординированного металлохелата 526.

В | Ч'-'Ч •р 'ч \

1 2

Рисунок 20. ЭПР спектр комплекса 526 Рисунок 21. ЭСП комплексов 52а,б, 53. 1 -сразу после растворения, 2-после 3 ч., 3-после 24 Ч. Рисунок 22. Температурная зависимость ц„|,ф комплекса 52а (1), 53 (2)

ЭСП (рис. 21) свежеприготовленного раствора соединения 52 в СН2С12 отличаются большим количеством полос от спектра моноядерного трехкоординированного комплекса 526 и такой вид спектра определяется наличием в растворе димерного 52а и мономерного 526 соединений. Это также было показано группой Тоїтапа на примере ЭСП аминовинилиминатов меди с Я'=С1,1*= 2,6-(СН3)2РЬ.

ЭСП соединений 52а,б с течением времени трансформируется (рис.21 (2,3)). Изменения, наблюдаемые в спектрах, связаны с поглощением кислорода воздуха и образованием биядерного центросимметричного димера 53, атомы меди в котором по данным РСА (рис. 23 (а)) связаны кислородными мостиками.

Сравнение результатов исследования рентгеновской порошковой дифракцией комплексов 52а и 53, также как данные ЕХАББ спектроскопии свидетельствуют о разном составе и структуре их координационных сфер.

Разное строение комплексов 52а, 53 подтверждают данные магнетохимических исследований (рис. 22). Для металлохелата 52а, полученного сразу после реакции характерен ферромагнитный тип спин-спинового взаимодействия (рис.22 (1)), также как для комплекса 54, который будет описан ниже и имеющего согласно РСА (рис.23 (б)) димерное строение с мостиковыми атомами хлора. В то же время для биядерного соединения 53 наблюдается слабый антиферромагнитный обмен (рис.22 (2)).

Таким образом, из совокупности полученных данных следует, что в результате взаимодействия Р-аминовинилимина 50 с хлоридом меди образуется биядерный комплекс 52а, где в качестве мостикового фрагмента выступают атомы хлора, который в растворе поглощает и активирует молекулу кислорода, приводя к металлохелату 53.

Нами предлагается механизм данного процесса, показанный на схеме 6.

у-Н; / V

" " " - я

и и Н^Ы о

\

к

Схема 6. Предполагаемый механизм активации молекулы кислорода комплексом 52а.

В отличие от металлохелата 52 а, комплекс 54, включающий в молекулу лиганда вместо фенильного заместителя нитро группу, обладает устойчивой димерной структурой с мостиковыми атомами хлора (рис 23 (б)). Спектр ЭПР порошка представляет собой широкую линию с двумя центросимметричными плечами. Кроме того, наблюдается сигнал ЭПР в «половинном поле» а=4 33 (Т = 130 К) (рис. 24).

Рисунок 24. ЭПР спектр порошка комплекса

Рисунок 25. Тсмпсраг. зависимость комплекса 54.

Спектры можно интерпретировать как принадлежащие радикальной паре (два слабо взаимодействующих электрона, основное триплетное состояние) с локализацией двух неспаренных электронов на ионах двухвалентной меди. Величина параметра расщепления в нулевом поле Ю или О" позволяют оценить эффективное расстояние между центрами локализации неспаренных электронов (г =3.3 А (290° К), 3.17 А (220° К), 3.11А (130° К)). Полученные значения «г» согласуются с результатами РСА (длина связи Си-Си= 3.3146 А). Спектр ЭПР в растворе не наблюдается.

В ЭСП зафиксированы полосы поглощения при 262(пл.), 340, 474 и 620(пл.) нм, которые не изменяются в течение длительного времени. Измерения магнитных моментов в интервале температур от 300 до 5° К показали, что для металлохелата 54 (рис. 25), также как для соединения меди 52а, характерно ферромагнитное спин-спиновое взаимодействие. Таким образом, установлено, что введение в р-аминовинилиминный фрагмент молекулы комплекса акцепторного заместителя - нитро группы, приводит к устойчивому биядерному комплексу и блокированию поглощения кислорода. При взаимодействие соединения 51 с Си(СЮ4)2 6Н20 вследствие гидролиза образуется необычный Р-аминовинилкетонатный комплекс 55. При росте кристаллов из изопропилового спирта образуется аддукт с молекулой спирта, строение которого представляет собой тетраэдрически искаженную квадратную пирамиду (рис.23 в). Полученный результат может быть полезен для получения труднодоступных органических соединений.

3.5 Строение и свойства биядсрных комплексов меди на основе аминометилсновых производных ниразол-5-она(тиона).

Как уже отмечалось в актуальности работы тиол-дисульфид реакционная система - важный донор электронов для многих процессов, происходящих в природных объектах и определяющих регулирование передачи сигнала и деятельность фермента. Однако окислительно-восстановительные реакции в системе тиолат - дисульфид остаются в значительной степени мало

изученными в контексте моделирования их на простых синтетических комплексах. В тоже время биядерные соединения меди, где в качестве мостиков выступают атомы серы, в первом приближении могут быть рассмотрены в качестве моделей димерного активного центра СиА ряда важнейших медьсодержащих протеинов, например цитохром С оксидазы (рис. 26).

-"Д' 11

мт ^ <>«ііу)

(Су*>

Сил центр цитохром С оксидазы

ЭСП: Х(с)(цм) = 350-360, 475-480(5000),

_530-540(4000). 765-800(1600)

Рисунок 26. Си.\ центр цитохром С оксидазы и его ЭСП._

С целью изучения комплексообразующей способности дисульфидных лигандов и для получения биядерных металлохелатов меди содержащих в молекуле различные донорные атомы и мостиковые фрагменты были синтезированы тридентатные лигандные системы на основе 1,3 замещенных 4-формил-пиразол-5-она(тиона) 55-57 и тозильного альдегида 62. Реакция с о-аминотиофенолом в среде метилового (этилового) спирта с тиопиразольным и тозильным альдегидами приводит к образованию соответствующих дисульфидов (схема 7).

Данные ЯМР спектроскопии указывают, что соединения 55-57, синтезированные на основе пиразольных альдегидов, имеют в растворах енаминнокетонную (тионную) таутомерную форму, также как вышеописанные лигандные системы 1-6. Дисульфид тозильного альдегида 62 находится в азометиновой форме.

Схема 7. Взаимодействие аминометиленовых производных пиразол-5-она(тиона) и азометина тозильного альдегида с ацетатом меди.

Взаимодействие дисульфидов 55 с ацетатом меди в спиртовой среде приводит к образованию биядерных металлохелатов меди (2+) 58 (схема 7). При этом происходит восстановление связи S-S органической молекулы. Аналогично взаимодействует азометин тозильного альдегида 62. На этих двух примерах показано, что природа донорных атомов (S, NTs) не влияет на ход реакции. В белках превращения дисульфид-тиол / тиол-дисульфид могут происходить как с участием ионов металлов, так и без них. Полученные комплексы 58, 62 в первом приближение можно считать моделями активного центра СиА белков. Тридентатные соединения 56, 57 реагируют с ацетатом меди, обычным образом, образуя в качестве конечных продуктов биядерные металлохелаты меди (2+) 59,60. Металлохелаты 58 (R=i-Pr), 63 с мостиковыми атомами серы имеют сильно искаженную димерную структуру (рис.27, 30). Длина связи Cu-Cu равняется 2.7 Л и 2.81 Á, соответственно. Расстояния Cu-S(moct.) находятся в диапазоне 2.22-2.37 Á.

ywz1.

Рисунок 27.

Строение комплекса 58 (R=i-Pr)

Рисунок Строение комплекса 59.

28.

Рисунок 29. МФТ EXAFS Си К-краев поглощения и вейвлет-карта_

Рисунок 30.

Строение комплекса 63

В «фиолетовом» активном центре цитохром С оксидазы атомы меди расположены на дистанции 2.45-2.55 Á, а длина связи Cu-S(Cys) колеблется в интервале 2.27-2.42 Á. В отличие от металлохелатов 58 (R=i-Pr), 63, комплекс 59 плоский (рис.28). Все соединения были также изучены методом РСП с использованием вейвлет-преобразования спектров. Анализ EXAFS спектров и вейвлет-карт (например, рис. 29), которые были сопоставлены с картой металлической меди, однозначно показал, что пики расположенные в спектрах в диапазоне около 3Á, принадлежат Cu-Cu расстоянию, а молекулы имеют биядерное строение. Вычисленные количественные характеристики достаточно хорошо совпадают с результатами РСА. Металлохелаты 58, 63, включающие в молекулу атомы серы в качестве мостика, в твердом состоянии

диамагнитные, что определяется существенным обменным взаимодействием антиферромагнитного типа, которое приводит к диамагнетизму. В растворе, за исключением соединения 63, из-за диссоциации они становятся парамагнитными. В противоположность этим соединениям металлохелаты 59, 60 с кислородным мостиковым фрагментом парамагнитные. Изучение температурной зависимости магнитной восприимчивости комплексов 59, 60 в интервале 300 - 2 К показало, что между ионами меди в этих соединениях имеет место сильное антиферромагнитное обменное взаимодействие, которое удовлетворительно описывается в рамках изотропной модели ГДВФ. Рассчитанные для них по уравнению Блини - Бауэрса параметры обмена составляют -405 и -303 см"', соответственно. ЭСП металлохелатов 58, 63 характеризуются четырьмя областями поглощения при 340-350 нм, 440-480 нм, 590-600 нм и при 900-1020 нм. Они сходны со спектрами активного центра СиА (рис. 26). Самая длинноволновая полоса в исследованных комплексах сдвинута на 100-200 нм в «красную» область по сравнению с белком, причем наименьшее смещение наблюдается для комплекса 63.

Таким образом, показано, что дисульфидная группа лигандных систем может выступать в качестве доноров электронов, что воспроизводит процессы в природных объектах. Строение и физико-химические свойства биядерных комплексов в основном определяется природой атомов мостикового фрагмента. Все синтезированные димерные металлохелаты меди, где мостиковый фрагмент образуют атомы серы диамагнитные в твердой фазе и достаточно хорошо воспроизводят спектральные характеристики Сил активного центра.

3.6 Строение и свойства металлохелатов железа (3+) на основе спаминов и азопроизводных пиразола.

Нитрилгидратаза (МНаБе) (рис. 33) - энзим, содержащий негемовый центр

железа (3+) в 1Ч,8-лигандном окружении, который найден в микроорганизмах типа ЮюсЬсосли яр. 11312, N771, Рхеис1отопа с/г/огор/их и др.

Этот фермент катализирует гидролиз нитрилов в амиды вышеуказанными микроорганизмами. В отличие от

большинства других негемовых центров железа в биологических системах, Ге^Я/) активный центр нитрилгидратазы не изменяет степень окисления иона Ре(3+) в процессе катализа и действует как кислота Льюиса в нитрил - амидном превращении.

о

(всгДО |

(ЯегЯ | Х5(Су5) 5(Сув)

ЭПР: 81 =2.20-2.27, д2=2.12-2.14, Ё3=1.97-1.99 ЭСП; X (нм)=280, 370-420, 676-710 Рисунок- 33. Активный центр Ь'с нитрилгидратазы_

Низкоспиновое состояние железосодержащего центра фермента необычно и неожиданно, учитывая л-донорные свойства атомов Б цистеиновых остатков, также как неизменяющаяся степень окисления Бе (3+) в присутствие тиолатных лигандов.

Металлохелаты железа (3+) с азотхалькогенным лигандным окружением могут служить в качестве модели активного центра нитрилгидратазы. Однако такие комплексы труднодоступны из-за происходящих ред-окс процессов с участием донорных атомов 8 и ионов Ре(3+). Поэтому, исходя из того, что введение дополнительного донорного центра или мостикового фрагмента в молекулу серосодержащего органического соединения ингибировало ред-окс процессы при синтезе комплексов меди (2+), были выбраны для получения металлохелатов Ре (3+) лигандные системы, соответствующие этим условиям. В результате взаимодействия аминометиленовых производных пиразол-5-тиона с хлоридом (перхлоратом) железа (3+) синтезированы устойчивые металлохелаты типа 64,65 (схема 8).

// М РеС1,611,0

Ре(СЮ4), л Н,0

n I

рь

1,3; у=сн, х=э

6; х=0

8; Xi.Sc

23; у=!ч, х=0 24;

Я'=-С,П4-,(}т

65 х=б

67 х=о

68 х=яе

69 х=5

71 х=о

66; у=сн 70;

Схема 8. Синтез металлохелатов железа(3+).

По данным ЕХАРБ, ГР спектроскопии и магнетохимии комплекс 64 с Ре^82С1 хромофором является пентакоординированным, молекула которого содержит терминальный атом хлора, расположенный на расстоянии 2.28 А от иона Ре. Металлохелат 65 (А=РеС14) по данным РСА (рис. 34) имеет октаэдрическое строение катиона и тетраэдрическую геометрию аниона РеС14. Длины связей Ре-Б, составляющие 2.227 и 2.23 А, короче расстояний, наблюдаемых в инактивной форме N0 связанной нитрилгидратазы. Подобным строением

катиона обладают также комплекс 65 (У=СЮ4) и селенсодержащие аналоги 68 (У=РсС14, СЮ4) в которых длины связей Ре-8, Ре-8е по данным ЕХАРЯ спектроскопии равны 2.24 А, 2.43 А, соответственно. Аминометиленовое производное пиразол 5-она 6 взаимодействуют с РеС13-6Н20, образуя пентакоординированный металлохелат с Рс1^2ОС12 хромофором 66, в то время как реакция с Ре(С104)3-пН20 приводит к октаэдрическому катионному комплексу 67, где анионом выступает ион перхлората.

Исследования магнитных свойств металлохелатов 64-68 в твердой фазе I показали, что магнитная восприимчивость для всех соединений изменяется в интервале температур 300-5 К согласно закону Кюри-Вейсса. Магнитная аномалия отсутствует во всем температурном диапазоне. Значение магнитного момента 4.5 М.Б. (300 К), полученного для соединения 64, позволяют ' заключить, что Рс(3+) в нем находится в состоянии с 8=3/2, также как в I галогенобисдитиокарбоматах и порфириновых комплексах Ре (3+).

си І" С" .л ... ,.1т„ ,„ „ V V

Рисунок 34. Строение комплекса 65 (У=РеС14) Рисунок 35. Температурная зависимость ц„м, комплекса 65 Рисунок 36. ГР спектры комплексов 65 (У=РеС14) (1). (У=СЮ4) (2).

Металлохелаты 65, 68 (У=РсС14) имеют цэфф=6.1-6.2 М.Б. (4.44 М.Б. на один | атом Ре), что согласуется с присутствием двух железосодержащих центров с разными состояниями: низкоспиновым (8=1/2) в катионе и высокоспиновым I (8=5/2) в анионе. Температурная зависимость магнитных моментов (рис. 35) указывает на отсутствие взаимодействий между этими центрами. Комплексы 65, 68 (У=С104) низкоспиновые (рэфф=1.8-2.1 М.Б) независимо от температуры. Замещение донорных атомов 8 (8е) на атом кислорода в этих соединениях приводит к изменению их магнитных свойств. Металлохелат 67 (У=СЮ4) является высокоспиновым и имеет |х,фф=5.8 М.Б.(300 К), так же как пентакоординированный комплекс с РеКГ2ОС12 хромофором. Выводы, сделанные на основании магнетохимических исследований, находятся в I хорошем соответствии с результатами ГР спектроскопии. Наличие двух , дублетов в ГР спектрах (рис.36 (1)) соединений 65, 68 (У=РеС14) отчетливо

указывает на присутствие двух ионов железа с разным лигандным окружением. Тетраэдрическому аниону РеС14 соответствует дублет с небольшими значениями квадрупольного расщепления (ДЕд=0.33 (0.26) мм-с"1) и относительно малыми значениями изомерного сдвига (8=0.29 (0.23) мм-с" ), что ( характерно для Ре(3+) со спиновым состоянием 8=5/2 и координационным числом равным четырем. Величины АЕд=1.89-2.08 мм-с"1 и 8=0.15-0.29 мм-с , полученные для второго дублета в спектрах этих соединений, соответствует низкоспиновым ионам железа с локализацией неспаренного электрона на МО, включающей с1ху АО металла. Подобные одиночные дублеты наблюдаются в спектрах металлохелатов 65, 68 (У=СЮ4) (рис.36 (2)). Низкие значения изомерных сдвигов комплексов 65, 68 (У=РсС14, СЮ4) дают основание предполагать, что лиганды образуют сильные л-дативные связи с атомом железа, приводящее к уменьшению заселенности 12„ АО металла. ГР спектры соединения 64 характеризуются достаточно высокими значениями квадрупольного расщепления (АЕд=2.68 мм-с"1) и относительно малыми величинами изомерного сдвига (8=0.31 (0.23) мм-с"'). Подобные параметры свойственны комплексам железа (8=3/2) на основе порфириновых и фталоцианиновых лигандов. Характеристики ГР спектров кислородсодержащих металлохелатов 66 (8= 0.32 мм-с"1, АЕо=0.64), 67 (8= 0.360 мм-с"1, ДЕУ=0.52) отвечают высокоспиновому состоянию атома железа. ЭПР спектры соединений 64, 65, 68, полученные в матрице ДМФА, характеризуются ромбической анизотропией § фактора (£1=2.190-2.262, £2=2.125-2.159, £з=1.975-2.059) и подобны спектрам низкоспиновых I комплексов Ре(3+) и природной нитрилгидратазы. Для металлохелатов 65, 68 (У=РеС14) наблюдается широкий сигнал с £=2.0, относящийся к высокоспиновому аниону РеС14". Природа аниона ЕеСЦ", СЮ4 мало влияет на | параметры ЭПР, что связано с образованием сольватно разделенных пар -катионов комплексов и анионов. Замещение донорных атомов 8 на 8е в комплексах приводит к заметному увеличению анизотропии спектров ЭПР. В ЭСП комплексов 64, 65, 68 наблюдаются полосы в районе 250-360 нм, 420490 нм, 750-770 нм и 995-1090 нм. Полосы при 750-770 нм можно отождествить с полосой, наблюдаемой в ЫНаве при 690-710 нм, которую относят к ППЗ 8—>Ре с некоторым вкладом ППЗ N1—>Ре. Спектр соединения с РеЫ2ОС12 хромофором 66 характеризуется интенсивным поглощением при 400 нм и плечом средней интенсивности в районе 630 нм. Замещение СН группы , азометиновой связи на атом азота й комплексах 65-67 мало сказывается на строении металлохелатов. Так соединение 69 (У=РеС14) (рис.37), полученный | при взаимодействии азопроизводного пиразол-5-тиона 24 (Я =СМп) с РеС13-6 Н20, является изоструктурным соединению 65 (У=НсС14). Длины связей Ре-8 короче приблизительно на 0.01 А, чем в молекуле 65 (У=РеС14). Комплекс 70 имеет искаженное тригонально-бипирамидальное строение (рис. 38).

Ы Я™ а /V С5 ГД гг и м / 1 ,

Рисунок 37. Строение комплекса 69 (У=РеСЬ) Рисунок 38. Строение комплекса 70 Рисунок 39. Температурная зависимость ц,ф,|, комплекса 71 (У=СЮ4)

Магнитные свойства комплексов 69 (У=РсС14, СЮ4), 70 такие же, как у соединений 65 (У=РеС14, СЮ4), 66. Неожиданный результат магнитных измерений был получен для металлохелата 71 (У=СЮ4) (рис. 39). Найденное значение Цэфф=1.79 М.Б. (300К) соответствует низкоспиновому состоянию атома железа (8=1/2), в отличие от высокоспинового соединения 67 (У=СЮ4). Это редкий пример комплексов железа с N0 лигандным окружением, для которых реализуется 2Т2 основное состояние.

Магнитные моменты металлохелатов 69 (У=СЮ4), 70, 71, определенные методом Эванса в растворе хлороформа равны 2.16 М.Б., 2.36 М.Б. 5.7 М.Б., соответственно, и близки к измеренным в твердой фазе, что свидетельствует о сохранении их строения в растворе. Результаты магнетохимических исследований подтверждаются данными, полученными методом мессбауэровской спектроскопии. В ГР спектрах комплекса 69 (У=РсС14) наблюдается два дублета с параметрами, соответствующие низкоспиновому катиону и высокоспиновому аниону. Одиночный дублет (АЕ0=1.92 (1.93) мм-с" и 8=0.17 (0.24) мм-с ') характерен для низкоспинового металлохелата 69 (У=СЮ4). Увеличение его изомерного сдвига по сравнению с азометиновым аналогом 65 (У=С104) отвечает уменьшению электронной плотности в области ядра.

Значения квадрупольного расщепления и изомерного сдвига (ДЕо=0.49 (0.51) мм-с и 8=0.34 (0.44) мм-с"'), определенных для комплекса 70 свидетельствуют о состоянии атома железа с 8=5/2. В ГР спектре металлохелата 71 (У=СЮ4) при комнатной температуре наблюдается одиночный ассиметричный дублет (АЕу=2.55 мм-с" и 8=0.15 мм-с"'), который соответствует низкоспиновому иону железа (3+). При понижении температуры (Т=85К) в спектре проявляются два дублетных сигнала с близкими параметрами (АЕд=2.75 мм-с"1, 8=0.21 мм-с 1 и АЕ0=2.41 мм-с и 8=0.26 мм-с"'), что объясняется наличием в образце двух

структурно неэквивалентных атомов железа. Это возможно, если предположить, что в катионе происходит координация иона железа с разными атомами азота азосвязи.

В ЭСП комплексов 69 (У=РеС14, СЮ4) также как в спектрах их азометиновых аналогов 65 наблюдается четыре диапазона поглощений: при 250-360 нм, 420500 нм, 720-760 нм и 1000-1036 нм. Замещение СН группы азометиновой связи на атом азота в молекулах комплексов приводит к батохромному сдвигу полос в районе 400-500 нм и в области 990-1040 нм приблизительно на 30-50 нм по сравнению с металлохелатами 65. Полосы при 720-770 нм испытывают меньшие возмущения.

ВЫВОДЫ:

1. Синтезировано более 100 новых «теоретических и подтверждающих» модельных комплексов меди и железа, в том числе наиболее труднодоступных селеносодержащих металлохелатов Си(2+), их никелевых, цинковых и кадмиевых аналогов. Строение органических и координационных соединений установлено на основании данных физико-химических методов: ИК, гетероядерная ЯМР, ЭПР, РСП, ГР, ЭСП, магнетохимия, РСА, порошковая дифракция, квантово-химические расчеты.

2. Установлено, что аннелирование к металлоциклу гетероциклического фрагмента и наличие в молекуле дополнительного донорного центра ингибируют окислительно-восстановительные процессы, повышая устойчивость серо(селен)содержащих металлохелатов Си(2+) и Ре(3+).

3. Показано, что замещение донорного атома кислорода в металлохелатах с СиЫ202 хромофором на атомы Б, Бе приводит к изменению уплощенной /и/;а//оструктуры координационного полиэдра на более искаженную тетраэдрическую і/і/с-структуру и приближает их спектральные характеристики к параметрам активного центра ТІ купредоксинов. В комплексах, содержащих дополнительный донорный центр, замена кислорода в координационном узле на серу или селен изменяет псевдооктаэдрическую геометрию металлохелата на квадратно-пирамидальную, свойства которого ближе к характеристикам «красного» активного центра нитрозоцианина. Для комплексов с СиЫ4 хромофором установлено, что искаженная планарная геометрия хелатного узла изменяется на псевдотетраэдрическую при введении алкильных и/или арильных заместителей в донорный аминный фрагмент молекулы. При этом показано, что значения А// в ЭПР спектрах уменьшается, достигая величины найденной для лакказы и церулоплазмина.

4. Установлено, что в модельных соединениях с СиЫ2(8)28е2 хромофором наблюдаются изменения в ЭСП, как и в случае с азурином и его 8е(СуБ)

мутантом. В то же время параметры ЭПР спектров комплексов в отличие от белков не изменяются, поэтому интерпретация спектрального поведения металлопротеинов только с учетом спин-орбитальных эффектов недостаточна и эти изменения связаны с искажением геометрии активного центра и реорганизацией вторичных взаимодействий в природных объектах.

5. Установлено, что значения А„ близкие к параметрам купредоксинов, которые наблюдаются в ЭПР спектрах металлохелатов меди с хинолиновым заместителем, определяются либо суперпозицией спектров двух парамагнитных соединений, либо образованием в матрице растворителя межмолекулярных димерных комплексов.

6. При переходе от азометиновых комплексов к их азоаналогам ЭПР характеристики изменяются незначительно, в то время как в ЭСП в основном наблюдается батохромное смещение полос внутрилигандных переходов.

7. Комплексы никеля, цинка и кадмия на основе аминометиленовых и азопроизводных пиразол-5-тиона с хинолиновым заместителем обладают псевдооктаэдрической геометрией координационного полиэдра, что отличает их от изолигандных металлохелатов меди. В купредоксинах замещение атома меди на указанные металлы не оказывает существенного влияния на геометрию активного центра, затрагивая в основном вторичные взаимодействия в белковой матрице.

8. Координационная способность тиоэфирного фрагмента в комплексах ¡5-аминовинилкетонов зависит от природы заместителей в лиганде и атома металла комплексообразователя.

9. Установлено, что в растворе при комнатной температуре биядерные Р-аминовинилиминатные комплексы меди с хлорными мостиками в зависимости от природы заместителя в лиганде могут поглощать и активировать молекулу кислорода, подобно тому, как это наблюдается в активных центрах ряда белковых молекул.

10. Реакции дисульфидных азометинов с ацетатом меди протекают с разрывом 5-5 связи и образованием диамагнитных (х-Б-биядерных соединений, моделируя превращения в системе дисульфид-тиол, происходящих в природных объектах Полученные комплексы в первом приближении моделируют Сил центр белков.

11. Установлено, что октаэдрические металлохелаты с РеН^^е);, хромофором в отличие от пентакоординированного комплекса с РеМ2Я2С1 низкоспиновые, также как активный центр нитрилгидратазы, и достаточно хорошо воспроизводят спектральные характеристики белка. В то время как металлохелаты с РсЫ402 и РеЫ2ОС12 хромофорами высокоспиновые (за исключением азокомплекса с М402 лигандным окружением) и отличаются по своим спектральным характеристикам от серосодержащих комплексов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих статьях:

1. Uraev, A.I.. Synthesis and study of the novel tri-nuclear 5-thio(seleno)pyrazolealdiminato bis-ehelates containing a rf-arenechromiumtricarbonyl moiety / A.I. Uraev, A.L. Nivorozhkin, A.S. Frenkel, A.S. Antsishkina, M.A. Porai-Koshits, L.E. Konstantinovsky, G.K. 1. Magomedov, A.D. Garnovsky // J. Organomet. Chem. - 1989. - V. 368, N3.-P. 303-314.

2. Ниворожкин, А.Л. Металлохелаты халькогенсодержащих азометинов / A.Jl. Ниворожкин, А.И. Ураев, А.С. Бурлов, А.Д. Гарновский // Росс. хим. журн. (ЖРХО им. Д.И. Менделеева). - 1996. - Т. 40, № 4-5. - С. 162-170.

3. Ураев, А.И. Новые амбидентатные гетарилазометиновые лиганды с донорными атомами халькогенов / А.И. Ураев, В.П. Курбатов, А.Д. Гарновский // Коорд. химия. - 1997. - Т. 23, № 2. - С. 159-160.

4. Ураев, А.И. Новые азометиновые хелаты с N,S(Se)-juiraH:tHb[M окружением, моделирующие активные центры непорфириновых металлопротеинов / А.И. Ураев, А.Л. Ниворожкин, О.Ю. Коршунов, Г.И. Бондаренко, И.С. Ваеильченко, А.С. Анцышкина, В.П. Курбатов, А.Д. Гарновский // Докл. АН. - 1997. - Т. 356, № 2. - С. 212215.

5. Nivorozhkin, A.L. Iron complexes with an N/S chromophore relevant to the active site of the hydrolytic metalloenzime nitrile hydratase / A.L. Nivorozhkin, A.I. Uraev, G.I. Bondarenko, A.S. Antsyshkina, V.P. Kurbatov, A.D. Garnovskii, K.I. Turte, N.D. Brashoveanu// J. Chem. Soc. Chem. Comm. - 1997.-N 18.-P. 1711-1712.

6. Ураев, А.И. Биомиметические хелаты меди(Н) с N,S(0,Sc)-jini'aH;nibiM окружением - новые синтетические модели активных центров негемовых медьсодержащих протеинов / А.И. Ураев, А.Л. Ниворожкин, О.Ю. Коршунов, Г.И. Бондаренко, И.С. Ваеильченко, В.П. Курбатов, В.Г. Власенко, А.Т. Шуваев, А.Д. Гарновский//Коорд. химия. - 1999.-Т. 25, № 1.-С. 79-80.

7. Ураев, А.И. Новые металлохелаты меди гетероароматических оснований Шиффа с N,S(0,Se) лигандным окружением - модели активных центров «голубых» медных протеинов / А.И. Ураев, А.Л. Ниворожкин, Г.И. Бондаренко, К.А. Лысенко, О.Ю. Коршунов, В.Г. Власенко, И.С. Ваеильченко, А.Т. Шуваев, В.П. Курбатов, М.Ю. Антипин, А.Д. Гарновский // Докл. АН. - 1999. - Т. 367, № 1. - С. 67-69.

8. Садеков, И.Д. Синтез, реакции и строение комплексов карбонилов и циклокарбонилов металлов с теллурорганическими лигандами / И.Д. Садеков, А.И. Ураев, А.Д. Гарновский // Успехи химии. - 1999. - Т. 68, № 5. - С. 377-480.

9. Vlasenko, V.G. EXAFS studies of the novel iron(III) complexes with an N,S(Se)-chromophore simulating ligand environment of the active site of nitrile hydratase / V.G. Vlasenko, A.T. Shuvaev, T.I. Nedoseikina, A.L. Nivorozhkin, A.I. Uraev, A.D. Garnovskii, O.Yu. Korshunov // J. Synchrotron Rad. - 1999. - V. 6. - P. 406-408.

10. Ваеильченко, И.С. Хелатные комплексы меди(П) с новыми тридентатными лигандными системами (2-^тозиламино)- и (2-гидрокси)бензилиден-8-аминохинолина / И.С. Ваеильченко, А.С. Анцышкина, А.С. Бурлов, Г.Г. Садиков, А.И. Ураев, А.Л. Ниворожкин, Д.А. Гарновский, B.C. Сергиенко, В.П. Курбатов, О.Ю. Коршунов, А.Д. Гарновский//Журн. неорг. химии. - 1999. - Т. 44, № 8. - С. 1278-1286.

11. Варнек, В. А. Мессбауэровские спектры комплексов железа(Ш) с азометиновыми N,S(Se,0) хелатными лигандами / В.А. Варнек, Л.Н. Мазалов, А.И.

Ураев, Л.Л. Ниворожкин, А.Д. Гарновский // Журн. структурной химии. - 2000 - Т 41 №2-. С. 427-43!.

12. Uraev, A.I. Synthesis and EXAFS investigation of azomethynic copper metallochelates with N,S,0 ligand environment / A.I. Uraev. V.G. Vlasenko, T.I. Ncdoseikina, A.T. Shuvaev, I.S. Vasilchenko, A.D. Garnovskii, A.L. Nivorozhkin // Polyhedron. - 2000. - V. 19. - P. 2361-2366.

13. Анцышкина, A.C. Синтез, И К- и ЯМР-спектроскопическис исследования аминопроизводных оксо-тио-селено-пиразола. Кристаллическая и молекулярная структура 1 -фенил-3-мстил-4-метилен-^8-аминохинолин-5-оксопиразола / А.С. Анцышкина, Г.Г. Садиков, А.И. Ураев, О.Ю. Коршунов, А.Л. Ниворожкин, А.Д. Гарновский // Кристаллография. - 2000. - Т. 45, № 5. - С. 850-853.

14. Коршунов, О.Ю. Хелатныс комплексы Ni(II), Со(И) с N-нафтил- и N-хинолил-Р-аминовинилкстонами / О.Ю. Коршунов, А.И. Ураев, И.Н. Щербаков, И.А. Антонова, В.П. Курбатов, А.Д. Гарновский // Журн. неорг. химии. - 2000. - Т. 45, N° 9 - С 14901496.

15. Ураев, А.И. Синтез, строение и спектральные свойства биомимстичсских азометиновых металлохелатов с хромофорами CuN2S2, CuN202, и CuN2Sc2. Кристаллическая структура бис[4-(бензил)альдимино-3-мстил-1 -фенил-5-пиразолтиолато]меди (II) / А.И. Ураев, А.Л. Ниворожкин, Г.И. Бондарснко, К.А. Лысенко, О.Ю. Коршунов, В.Г. Власенко, А.Т. Шувасв, В.П. Курбатов, М.Ю. Антипин, А.Д. Гарновский // Изв. АН. Серия хим. - 2000. - № 11. - С. 1891-1896.

16. Ураев, А.И. Комплексы мсди(П) с Р-аминовинилиминами, содержащими стсричсски затрудненные донорные центры / А.И. Ураев, А.Л. Ниворожкин, В.П. Курбатов, К.А. Лысенко, М.Ю. Антипин, А.Д. Гарновский // Коорд. химия. - 2000 - Т 26, № 11.-С. 947-948.

17. Ураев, А.И. Продукты реакций комплексообразования р-аминовинилиминов / А.И. Ураев, В.П. Курбатов, Л.С. Тыльченко, А.Л. Ниворожкин, К.А. Лысенко, Х.А. Курданов, М.Ю. Антипин, А.Д. Гарновский //Докл. АН. - 2002. - Т. 383, № 1. - С.71-75.

18. Ураев, А.И. Синтез и строение комплексов никсля(П) р-аминовинилкстонов, содержащих тиоэфирный фрагмент / А.И. Ураев, В.П. Курбатов, А.Л. Ниворожкин, Л.С. Тыльченко, В.Г. Власенко, Л.Н. Диваева, К.А. Лысенко, М.Ю. Антипин, А.Д. Гарновский//Изв. АН. Серия хим. - 2002. - № 10. - С. 1771-1774.

19. Kharisov, B.I. Novel Trinuclear Metal Chelates of P-Aminovinylimines / B.I. Kharisov, L.M. Blanco, A.S. Burlov, L.I. Kuznetsova, N.V. Elizondo, A.I. Uraev, V.P. Kurbatov, G.I. Bondarenko, A.D. Garnovskii // Polyhedron. - 2002. - V 21 N21 -P 20812088.

20. Garnovskii, A.D. Metal Complexes as Ligands / A.D. Garnovskii, B.I. Kharisov, L.M. Blanco, A.P. Sadimenko, A.I. Uraev, I.S. Vasilcheko, D.A. Garnovskii // J. Coord Chcm. - 2002. - V. 55, N 10.-P. 1119-1141.

21. Vlasenko, V.G. X-ray powder diffraction data of the Novel Copper and Iron Complexes as Models for the Active Site in Metalloproteins / V.G. Vlasenko, A.T. Shuvaev, V.A. Shuvaeva, A.I. Uraev//Powder diffraction. - 2003. - V. 18, N 2. - P. 144-146.

22. Бурлов, A.C. Трехъядерные металлохелаты р-аминовинилиминов / A.C. Бурлов, Л.И. Кузнецова, А.И. Ураев, В.П. Курбатов, Г.И. Бондаренко, А.Д. Гарновский //Журн. общей химии. - 2003. - Т. 73, № 8. - С. 1261-1268.

23. Garnovskii, A.D. Metal complexes from aryl and hetarylazocompounds / A.D. Garnovskii, A.I. Uraev, V.I. Minkin // ARKIVOC. - 2003. - V 2004, N 3. - P. 29-41.

24. Ураев А.И., Синтез и строение комплексов железа (3+) на основе азопроизводных 5-оксо(тио)-пиразола / А.И. Ураев, А.Л. Ниворожкин, В.П. Курбатов, Л.Н. Диваева, М.С. Коробов, К.Л. Лысенко, М.Ю. Антипин, Д.А. Павленко, А.Д. Гарновский // Изв. АН. Серия хим. - 2003. - № 11. - С. 2386-2389.

25. Гарновский, А.Д. Металлокомплексы р-дикетонных производных / А.Д. Гарновский, И.Е. Уфлянд, И.С. Васильченко, А. И. Ураев, А.С. Бурлов, А.В. Бичеров, Е.Л. Анпилова, О.Ю. Коршунов // Росс. хим. журн. (ЖРХО им. Д.И.Менделеева). -2004.-Т. 48, № 1.- С. 5-14.

26. Ураев, А. И. Металлокомплексы амбидентатных краун-содержащих азометиновых лигандов / А.И. Ураев, С. Е. Нефедов, А. В. Дорохов, Р. Н. Борисенко, И.С. Васильченко, А.Д. Гарновский, А. Ю. Цивадзе // Росс. хим. журн. (ЖРХО им. Д.И.Менделеева). - 2004. - Т. 48, № 1. - С. 38-40.

27. Бородкин, Г.С. Гетероядерная ЯМР-спектроскопия амбидентатных лигандов / Г.С. Бородкин, И.Г. Бородкина, А.И. Ураев, И.С. Васильченко, И.Д. Садеков, А.Д. Гарновский // Росс. хим. журн. (ЖРХО им. Д.И.Менделеева). - 2004. - Т. 48, № 1. - С. 117-124.

28. Власенко, В.Г. Исследование методом EXAFS-спектроскопии ближайшего атомного окружения комплексов цинка моделей активных центров цинксодержащих протеинов / В.Г. Власенко, А.И. Ураев, А.С. Бурлов, А.Д. Гарновский // Поверхность. -

2004.-№ 10-С. 14-20.

29. Vlasenko, V.G. XRD and EXAFS studies of azomethynic copper metallochelates as models of blue copper proteins / V.G. Vlasenko, A.T. Shuvaev, A.L. Nivorozkin, A.I. Uraev // Powder Diffraction. - 2004. - V. 19, N 3. - P. 225-231.

30. Uraev, A.I. Cooper(II) dimmers with ferromagnetic intra- and intermolecular exchange interections / A.I. Uraev, I.S. Vasilchenko, V.N. Ikorskii, T.A.Shestakova, A.S. Burlov, K.A. Lyssenko, V.G. Vlasenko, T.A. Kuz'menko, L.N. Divaeva, I.V. Pirog, G.S. Borodkin, I.E. Uflyand, M.Yu. Antipin, V.I. Ovcharenko, A.D. Garnovskii, V.I. Minkin // Mendeleev Commun. - 2005. - V. 15, N4,-P. 133-135.

31. Ураев, А.И. Новые октаэдрические комплексы Zn(II) и Cd(II) на основе азопроизводных и азометинов пиразол-5-тиона / А.И. Ураев, И.С. Васильченко, Г.С. Бородкин, И.Г. Бородкина, В.Г. Власенко, А.С. Бурлов, Л.Н. Диваева, К.А. Лысенко, М.Ю. Антипин, А.Д. Гарновский // Изв. АН. Сер.хим. - 2005. - N 3. - С. 623-629.

32. Кужаров, А.С. Триботехнические возможности координационных соединений меди при трении бронзы по стали / А.С. Кужаров, В.Э. Бурлакова, Е.Г. Задошенко, А.А. Кужаров, А.С. Бурлов, А.И. Ураев, К. Кравчик, А.Д. Гарновский // Трение и износ. -

2005.- № 6. - С.628-637.

33. Vlasenko, V.G. XAFS Study of Cu(II), Ni(II) and Co(II) p-aminovinylketone complexes / V.G. Vlasenko, A.I. Uraev, A.D. Garnovskii // Phys. Scripta. - 2005. - V. 115.— P. 362-364.

34. Yalovega, G.E. XAFS study of Ni(Il) aminovinylketone complexes / G.E. Yalovega, V.G. Vlasenko, A.I. Uraev, A.D. Garnovskii, A.V. Soldatov // Rad. Phys. and Chem. - 2006. -V. 75.-P. 1905-1908.

35. Ураев, А.И. Новые магнитноактивные биядерные комплексы меди (II) на основе р-аминовинилиминов / А.И. Ураев, В.Н. Икорский, М.П. Бубнов, К.А. Лысенко,

В.Г. Власснко, И.Г. Бородкина, Г.С. Бородкин, Д.А. Гарновский, Л.Д. Гарновский // Коорд. химия. - 2006. - Т. 32, № 4. - С. 299-308.

36. Гарновский, Л.Д. Рациональный дизайн новых магнитоактивных медных биядерных комплексов азометинов / Л.Д. Гарновский, В.Н. Икорский, Л.И. Урасв, И.С. Васильченко. A.C. Бурлов, Д.А. Гарновский, О.Ю. Коршунов, К.А. Лысенко. В.А. Брснь, В.И. Минкин // Вестн. Южного научного центра. - 2006. - Т. 2. № 1. - С. 62-66.

37. Vlasenko, V.G. XAFS Study of the Ferro- and Antiferromagnetic Binuclear Copper(II) Complexes of Azomethine Based Tridentate Ligands / V.G. Vlasenko, I.S. Vasilchenko, I.V. Pirog, Т.Е. Shcstakova, A.I. Uracv, A.S. Burlov, A.D. Garnovskii // AIP Conference Proceedings. - 2007. - V. 882. N 1. - P. 355-357.

38. Garnovskii, A.D. The novel azomethine ligands for binuclear copper(II) complexes with ferro- and antiferromagnetic properties / A.D. Garnovskii, V.N. Ikorskii, A.I. Uraev, I.S. Vasilchenko, A.S. Burlov, D.A. Garnovskii, K.A. Lyssenko, V.G. Vlasenko, Т.Е. Shcstakova, Y.V. Koshchienko, T.A. Kuz'menko, L.N. Divaeva, M.P. Bubnov, V.P. Rybalkin, O.Y. Korshunov, I.V. Pirog, G.S. Borodkin, V.A. Bren, I.E. Ullyand, M.Y. Antipin, V.l. Minkin Hi Coord Chem. - 2007. - V. 60, N 14. - P. 1493-1511.

39. Власснко, В.Г. EXAFS исследование комплексов меди с азотхалькогенным лигандным окружением как потенциальных моделей негемовых металлопротсинов / В.Г. Власснко, Л.И. Урасв, Я.В. Зубавичус, Л.Д. Гарновский, Р.К. Мамин // Изв АН Сер. физ. - 2008. - Т. 72, № 4. - С. 500-502.

40. Гарновский, Л.Д. Направленное создание магнитоактивных металлокомплексов ароматических и гетероциклических азометинов / Л.Д. Гарновский, В.Н. Икорский, И.С. Васильченко, Л.С. Бурлов, Л.И. Урасв, Д.Л. Гарновский, Т.Е. Шестакова, Т.Л. Кузьменко, J1.H. Дивасва, К.Л. Лысенко, Г.С. Бородкин, В.Г. Власснко, И.Е Уфлянд, В.И. Минкин // Изв. вузов Северо-Кавказкий регион. Естественные науки. - 2007. - № 4. - С. 52-55.

41. Морковник, A.C. Особенности прототропной таутомерии в 4-(1-алкилбензимидазол-2-илазо)-2-ииразолин-5-онах / A.C. Морковник, Л.Н. Дивасва, Л.И. Урасв, К.Л. Лысенко, Р.К. Мамин, И.Г. Бородкина, Г.С. Бородкин, A.C. Бурлов, Л.Д. Гарновский // Изв. ЛН. Сер.хим. - 2008. - N 7. - С. 1467-1478.

42. Гарновский, Л.Д. Би- и полиядерные комплексы оснований Шиффа / Л.Д. Гарновский, И.С. Васильченко, Д.А. Гарновский, Л.С. Бурлов, Л.И. Урасв // Росс. хим. журн. (ЖРХО им. Д.И.Менделеева). 2009. - Т. 53, № 1. - С. 100-109.

43. Урасв, А.И. Новые мсталлохелаты 4-азо-5аминопиразолов. Кристаллическая и молекулярная структура бис ¡ 1 -фенил-3-мстил-4-(п-толил)азо-5-(п-карбоксиметоксифенил)пиразоламидато}Си(11) / Л.И. Урасв, О.Ю. Коршунов, Л.Л. Ниворожкин, Л.С. Лнцышкина, Г.Г. Садиков, В.И. Неводчиков, B.C. Ссргиенко, Л.Д. Гарновский // Журн. неорг. химии. - 2009. - Т. 54, № 4. - С. 575-583.

44. Пат. № 2470025 Российская Федерация, МПК C07F 3/06, С09К 11/06. Бис(3-метил-1-фснил-4-(хинолин-3-имино)-метил)-1 Н-пиразол-5-онато)) цинка(2) и электролюминссцснтное устройство на его основе / Минкин В.И. и др.; заявитель и патентообладатель ЮФУ и ИФХЭ РАН. - № 2011148448/04; заявл. 28.11.2011; опуб. 20.12.2012, Бюл. №35.

45. Бурлов, A.C. Электрохимический синтез, строение, магнитные и трибохимическис свойства металлохелатов новых азометиновых лигандов - бис (2-[N-тозиламинобснзилиденалкил(арил)]} дисульфидов / Л.С. Бурлов, С.Л. Мащснко, О.Л.

Иващенко, Д.Л. Гарновский, Л.И. Ураев, Г.И. Бондаренко, М.С. Коробов, И.Г. Бородкина, Г.Г. Чигаренко, А.Г. Пономаренко, А.Д. Гарновский // Ж. общей химии. -2009. - Т. 79, № 3,- С. 412-418.

46. Власенко, В.Г. Исследование локального атомного окружения Си, Ni и Со в металлокомплексах аминометиленовых производных пиразол-5-она методом рентгеновской спектроскопии поглощения / В.Г. Власенко, Я.В. Зубавичус, A.C. Бурлов, А.И. Ураев, С.А. Мащенко, Д.А. Гарновский, Е.В. Коршунова, А.Л. Тригуб // Журн. структурной химии. - 2011. - Т. 52. - С. 189-194.

Подписано в печать 25.11.2013 г. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Объем 2,0 уч.-изд. л. Тираж 150. Заказ № 5376.

Отпечатано в типографии ООО «Диапазон-Плюс». 344011, г. Ростов-на-Дону, пер. Островский, 124 Лиц. ПЛД № 65-116 от 29.09.1997 г.

Научно-исследовательский институт физической и органической химии Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет»

На правах рукописи

Ураев Али Исхакович

05201450554

МЕТАЛЛОКОМПЛЕКСЫ АРИЛ (ГЕТАРИЛ) АЗОМЕТИНОВ С АЗОТХАЛЬКОГЕННЫМ ЛИГАНДНЫМ ОКРУЖЕНИЕМ - МОДЕЛИ АКТИВНЫХ ЦЕНТРОВ НЕГЕМОВЫХ МЕТАЛЛОПРОТЕИНОВ

02.00.04 - физическая химия

Диссертация на соискание учёной степени доктора химических наук

Ростов-на-Дону - 2014

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................................5

ГЛАВА 1. МЕДЬ-, ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИЕ БЕЛКИ И КОМПЛЕКСЫ, МОДЕЛИРУЮЩИЕ ИХ АКТИВНЫЕ ЦЕНТРЫ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)...........................................................................................................................16

1.1.1. Строение медьсодержащих белков................................................................16

1.1.2. Электронные спектры поглощения активного центра Т1 белков..............24

1.1.3. ЭПР-спектры медьсодержащих белков.........................................................26

1.2.1. Основные типы моделей и их строение........................................................31

1.2.2. Электронные спектры поглощения (ЭСП) модельных комплексов..........47

1.2.3. ЭПР-спектры модельных систем...................................................................71

1.3. Железосодержащий металлопротеин нитрилгидратаза и простые синтетические аналоги активного центра нитрилгидратазы............................85

1.3.1. Металлопротеин нитрилгидратаза.................................................................85

1.3.2. Простые синтетические модели железосодержащей нитрилгидратазы....88

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ....................................................121

2.1. Аминометиленовые производные 1,3-замещенных пиразол-5-она (тиона, селенона) и металлохелаты меди (2+), никеля (2+), цинка (2+) и кадмия (2+) на их основе.................................................................................................................121

2.1.1. Аминометиленовые производные 1,3-замещенных пиразол-5-она (тиона, селенона)...................................................................................................................121

2.1.2. Металлохелаты меди (2+), никеля (2+), цинка (2+) и кадмия (2+) на основе енаминов 1,3-замещенных пиразол-5-она (тиона, селенона).................132

2.2 Азопроизводные 1,3-замещенных пиразол-5-она(тиона, амино) и комплексы меди (2+), никеля (2+), цинка (2+) и кадмия(2+) на их основе.... 136

2.2.1. Азосоединения на основе 1,3-замещенных пиразол-5-она (тиона, амино)136

2.2.2. Металлохелаты меди (2+), никеля (2+), цинка (2+) и кадмия (2+) на основе азопроизводных 1,3-замещенных пиразол-5-она (тиона, амино)..........141

2.3. Р-Аминовинилкетоны (тионы, имины) и комплексы, никеля(2+), меди(2+) на их основе................................................................................................144

2.3.1. Синтез (3-аминовинилтионов........................................................................145

2.3.2. Синтез (З-аминовинилкетонов......................................................................145

2.3.3. Комплексы меди (2+) и никеля (2+) на основе (3-

аминовинилкетонов(тионов)..................................................................................148

2.4. Р-Амнновинилимины замещенных малондиальдегидов и комплексы меди на их основе.......................................................................................................150

2.4.1. Р-Аминовинилимины замещенных малондиальдегидов...........................150

2.4.2. Комплексы меди на основе аминовинилиминов........................................152

2.5. Тридентатные енамины 1,3-замещенных пиразол-5-она (тиона) и биядерные металлохелаты меди (2+) на их основе.............................................154

2.5.1. Тридентатные аминометиленовые производные 1,3-замещенных пиразол -5-она (тиона)...........................................................................................................154

2.5.2. Биядерные металлохелаты меди на основе енаминов пиразол-5-она(тиона) и азометина тозильного альдегида.....................................................157

2.5.3. Азометин тозильного альдегида и биядерный комплекс меди (2+) на его основе........................................................................................................................157

2.6. Комплексы железа (3+) на основе енаминов и азопроизводных пиразол-5-она, тиона, селенона...............................................................................................159

2.7. Физико-химические методы исследования...................................................161

ГЛАВА 3. СТРОЕНИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АМИИОМЕТИЛЕНОВЫХ ПРОИЗВОДНЫХ ПИРАЗОЛ - 5-ОНА(ТИОНА, СЕЛЕНОНА), АЗОАНАЛОГОВ И КОМПЛЕКСОВ МЕДИ, НИКЕЛЯ, ЦИНКА, КАДМИЯ НА ИХ ОСНОВЕ (ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ)... 167

3.1. Строение и свойства аминометиленовых производных пиразол - 5-она (тиона, селенона) и комплексов на их основе......................................................167

3.1.1. Спектральные свойства комплексов меди на основе аминометиленовых производных пиразол - 5- тиона(она, селенона)..................................................226

3.2. Строение и физико-химические свойства азопроизводных пиразол - 5-она (тиона) и комплексов меди на их основе.......................................................251

3.3. Строение и свойства Р-аминовинилтионов(кетонов) и их комплексов ..294

3.4. Строение и свойства комплексов меди на основе р-аминовинилиминов325

3.5. Строение и свойства биядерных комплексов меди на основе аминометиленовых производных пиразол-5-она(тиона)..................................338

3.6. Строение и свойства металлохелатов железа (3+) на основе енаминов и азопроизводных пиразола........................................................................................353

ВЫВОДЫ:...................................................................................................................368

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

371

Введение

Металлопротеины - обширный класс природных соединений, представленных в международном Протеиновом Банке Данных (ПБД) [http://www.imb-jena.de] - приблизительно половина всех известных структур, в молекуле которых присутствуют ионы различных металлов (Си, N1, Ъп, Бе и др.). Несмотря на то, что содержание металла составляет всего 0.1% от веса всей молекулы, он играет ключевую роль в строение и функционировании природных объектов. Активные центры металлоэнзимов могут быть моноядерными, так и многоядерными. В качестве К-донорных центров в биологических системах, как правило, выступают гистидиновые, аминные, амидные фрагменты; О-доноры представлены карбоксилатными, карбонильными, фенольными и спиртовыми остатками аминокислот, а депротонированные тиолатные группировки цистеина и тиоэфирный фрагмент метионина являются Б-донорами. Эти основные структурные элементы присутствуют в разнообразных комбинациях в активных центрах белков с различными функциональными свойствами (электронный перенос, гидролитические превращения, окисление простых субстратов и т.д.). По сравнению с классическими комплексными соединениями металлопротеины характеризуются необычным строением координационного полиэдра и его повышенной лабильностью, что приводит к уникальным физико-химическим свойствам и каталитической активности белков.

Исследования молекулярного и электронного строения металлоэнзимов -фундаментальная и важнейшая проблема современной бионеорганической химии и объект постоянного интереса [1-17]. Конечная цель исследования таких соединений заключается в понимании биохимического функционирования металлоэнзимов на молекулярном уровне. В практическом аспекте это дает возможность проникнуть в смысл процессов, происходящих в клетке и в итоге привести к выяснению причин и механизмов возникновения болезней, что, в

свою очередь, существенно облегчит задачу по созданию новых терапевтических препаратов и эффективных катализаторов.

К настоящему времени изучен методом рентгеноструктурного анализа (РСА) широкий спектр металлопротеинов. Так, в ПДБ на данный момент только белки, содержащие так называемые «металлы жизни», представлены в количестве более 3500 (без учета комплексов указанных соединений с ДНК [http://www.imb-jena.de]). Столь значительное количество выявленных структур обусловлено, прежде всего, развитием методов очистки (пурификации) и выращивания кристаллов биомолекул, а также совершенствованием инструментов и методов самого рентгеноструктурного анализа. Не в меньших масштабах исследования молекулярного и электронного строения активных центров ферментов проводятся также с использованием современных спектроскопических методов: рентгеновская спектроскопия поглощения (РСП) (ХАБ, ЕХАТ^, ХАЫЕБ), фотоэлектронная спектроскопия (ФЭС), двойной электрон-ядерный резонанс (ДЭЯР), двойной электрон-электронный резонанс (ДЭЭР), ЭПР, электронная абсорбционная спектроскопия (ЭСП), круговой (КД) и магнитно-круговой (МКД) дихроизм, резонансная Раман-спектроскопия (спектроскопия комбинационного рассеяния-КР), ядерная гамма-резонансная спектроскопия (ГР) (ЯГР-спектроскопия, спектроскопия Мёссбауэра) [4, 7, 1012, 14, 15, 18-26]. Развитие вычислительной техники и методов квантовой химии позволило в значительной степени продвинуться в понимании электронного строения, а также функционирования активных центров металлосодержащих белков [12, 23, 27-30]. Однако, несмотря на существенный прогресс в химии протеинов, проблема создания синтетических низкомолекулярных моделей, изучения биопроцессов с их участием по-прежнему остается в центре внимания, и является важнейшим методологическим подходом в изучении природных объектов [2-4, 7-12, 17, 31-43].

Активный центр биомолекулы представляет собой комплекс металла, с очень сложными и объемными лигандами. На прямое взаимодействие металла с донорными атомами, накладываются многообразные факторы, определяемые

уникальной по размерам и строению белковой молекулой [4, 6, 8, 9, 12, 15]. Это приводит к существенным затруднениям при интерпретации результатов спектроскопических исследований природных объектов. В связи с этим использование подробно охарактеризованных низкомолекулярных синтетических аналогов (моделей) позволяет в данном аспекте более детально интерпретировать полученные физико-химические параметры

металлопротеинов, выявить основные закономерности, которые определяют их уникальные спектральные характеристики. Кроме того важной особенностью моделей активных центров энзимов является возможность модификации в широких пределах лигандного окружения и как следствие изменения электронного и пространственного строения самой молекулы. Такой подход позволяет обеспечить дополнительной информацией о взаимодействии матрицы белка с атомом металла в природных объектах.

Поскольку синтетические модели могут быть использованы для определения структуры активного центра белка их называют «теоретическими моделями» [36]. Они были разработаны на основании результатов спектроскопических исследований, и главным образом применяются в качестве стандартов при установлении строения металлопротеинов методом ЕХАБ8 спектроскопии.

«Подтверждающие модели» предназначены для установления корреляции между строением и функциональными свойствами белка [36]. Исследование таких соединений при известном строении протеина может дать ценную информацию об эффекте, оказываемом лигандом на спектроскопические и каталитические свойства иона металла образующего активный центр.

«Функциональные модели» воспроизводят биологические или каталитические свойства металлосодержащих белков [36]. В некоторых случаях их структурное подобие активному центру природного объекта бывает минимально.

Следует отметить, что такая классификация модельных соединений весьма условна.

Важно понимать, что получить низкомолекулярный комплекс, детально воспроизводящий структуру и весь набор свойств активного центра природного белка, практически невозможно. Поэтому основной целью моделирования является синтез детально охарактеризованных соединений, воспроизводящих отдельные свойства биомолекул и создание базы данных, необходимой для интерпретации результатов исследования природных металлопротеинов.

Металлохелаты с азотхалькогенным лигандным окружением могут быть рассмотрены как перспективные модели при изучении структуры и спектральных характеристик активных центров ряда важнейших негемовых металлосодержащих белков. Особенно актуальным является создание селеносодержащих металлохелатов меди. Это связано с тем, что в последнее время метод замещения в белках атома серы на селен, является наиболее эффективным инструментом при изучении атомного и электронного строения металлопротеинов [44-47]. При этом до начала наших работ не было известно ни одного комплекса меди, включающего в молекуле селенолатную донорную группу.

Несмотря на обширные работы в области моделирования активных центров медьсодержащих и железосодержащих белков круг адекватных синтетических аналогов остается достаточно ограниченным из-за известных и широко распространённых ред-окс процессов с участием ионов этих металлов и атомов серы лиганда [2-4, 7-12, 17, 31-43]. В основном низкомолекулярные соединения представлены комплексами, полученными на основе тиоэфирных, макроциклических лигандов и тетрадентатных хелатов, содержащих мостиковый фрагмент. При этом следует учесть, что, во-первых, тиоэфирная группа не может адекватно отражать свойства тиолатного фрагмента. Во-вторых, макроциклические лиганды и мостики в хелатном узле комплекса делают соединения маловариабельными. В-третьих, мало работ, где бы исследовались целенаправленные серии комплексов, что позволяет определить влияние природы лигандной системы на строение и как следствие на физико-химические параметры соединений. В настоящей работе основное внимание акцентировано

на ]М,8-содержащих металлохелатах меди(2+) и железа (3+), которые могут выступать в качестве моделей активных центров типа 1 (Tl), СиА медьсодержащих природных протеинов и железосодержащей нитрилгидратазы. Рассматриваются вопросы, связанные с координационными свойствами тиоэфирного фрагмента, играющего ключевую роль в функционировании не только медьсодержащего центра типа 1, но и центра типа 2 (галактозаоксидаза, дофамин-Р-монооксигеназа) [34].

Тесно связано с исследованием активных центров природных молекул изучение белков, участвующих в гомеостазе живых организмов [48-51]. Ионы меди играют важную роль в функционирование клетки и всего организма в целом, но при определенных концентрациях. У человека нарушение метаболизма, связанного с дефицитом меди, приводит к таким заболеваниям как синдром Менкеса, болезнь Альцгеймера. В то время как избыток металла вызывает болезнь Вильсона, при которой наблюдается отравление организма ионами свободной меди [52]. Несколько классов белков, включая мембранные транспортеры, металлорегуляторы, участвуют в гомеостазе меди и выполняют две основные функции [50, 53, 54]. Во-первых, они обеспечивают доставку конкретного количества меди к определенным центрам белка для функционирования металлопротеинов, во-вторых, эти белки детоксифицируют лишнюю медь. Большинство из этих структурно и биохимически исследованных соединений содержат Cu-S(Cys) связи. Поэтому весьма актуальным является изучение тиолатсодержащих металлохелатов меди в плоскости проецирования полученных результатов на природные объекты для более детального понимания механизма их функционирования.

Изучение свойств комплексов меди в азотхалькогенном лигандном окружение также важно в аспекте использования их в качестве контрастных агентов в диагностике методами позитронной эмиссионной томографии (PET), однофотонной компьютерной томографии (SPECT) и магнитно-резонансной томографии (MRI) [55-57].

В последнее время внимание исследователей к серосодержащим комплексам стимулируется возможностью использования некоторых из них в качестве псевдонуклеаз, которые способны химически и фотохимически расщеплять ДНК [58-66]. Псевдонуклеазы, содержащие металлы, играют важную роль в химии нуклеиновых кислот и используются как новые структурные зонды в исследовании белков, а также как терапевтические агенты.

Избирательное и обратимое окисление тиол/тиолат групп в дисульфиды (например, цистеина в цистин) является одной из самых важных биологических реакций, приводящих к формированию дисульфидных мостиков в белках. Кроме того тиол-дисульфид реакционная система - важный донор электронов для многих процессов, происходящих в природных объектах и определяющих регулирование передачи сигнала и деятельности фермента [67-69]. Однако окислительно-восстановительные реакции в системе тиолат - дисульфид остаются в значительной степени мало изученными в контексте моделирования их на простых синтетических комплексах. Опубликовано лишь небольшое число работ по этому направлению исследований [70-74]. Исследования в этой области несут огромный потенциал для такого рода реакционных систем, представляющих собой новые доноры электронов.

Присоединение и активация кислорода металлоэнзимами и их синтетическими аналогами занимает одно из приоритетных мест в бионеорганической химии [75-85]. Медьсодержащие белки, которые связывают и/или активизируют кислород, выполняют множество важнейших биологических функций. Например, гемоцианин (Не) обратимо взаимодействует с кислородом, участвуя в его транспорте. Галактоза, глиоксаль оксидазы (ОАО и вЬО) наряду с дегидрированием органических субстратов выполняют функцию в