Eisen- und Mangankomplexe für die Untersuchung superoxidrelevanter Prozesse

In the course of this work, stoichiometric superoxide reactions, as well as mechanistic details on catalytic superoxide dismutation with iron heme and iron and manganese non-heme complexes, respectively, have been elucidated. For the first time, quantitative investigations on superoxide reactions with metal centers have been achieved, particularly with regard to experiments under high pressure, at low temperatures and with variable superoxide concentrations resulting in crucial kinetic, thermodynamic and mechanistic insights. Generally, both stoichiometric and catalytic superoxide reactions with metal centers involve similar redox steps. The possible intermediates, so-called metal-(su)peroxo adducts, can be involved in both of these mechanisms. Since these species are usually very unstable, they can only be characterized in detail, if their stability is enhanced. Therefore, a tailor-made porphyrin crown ether ligand system was used, as it enables stabilization of the coordinated (su)peroxo ligand by electrostatic interactions with the nearby positively charged potassium crown ether moiety. For comparison, the analogue complex without crown ether has also been studied with respect to its reactivity towards superoxide. In addition, the same reactions have been investigated in the presence of externally added crown ether in order to understand whether the covalent attachment has an advantage. For hemes, there are two steps along the reaction of superoxide with iron(III). The first step involves reduction of iron(III) under formation of iron(II) porphyrin complex and oxidation of superoxide producing O2. The second reaction step occurs in case of iron(II) porphyrins, which can be provided as product of the first reaction step. During this reaction, iron(II) is formally oxidized and superoxide reduced under formation of an iron(III)-peroxo species. In DMSO, iron(II) porphyrins exist in an equilibrium between high-spin five-coordinate mono-DMSO and low-spin six-coordinate bis-DMSO species. The corresponding equilibrium constants and the reaction enthalpies, entropies and volumes were estimated by temperature and pressure dependent proton NMR measurements, respectively for both systems, with and without covalently attached crown ether. The reaction between iron(III) species and superoxide is reversible, showing the first example for reversible binding of superoxide to a heme system and formation of a peroxo species. Estimation of the superoxide binding constant showed the peroxo species with covalently attached crown ether to be the most stable one, which is due to electrostatic and steric shielding of the peroxo ligand positioned in the pocket between heme and the crown ether chelated potassium moiety. Fine-tuning of the H+ concentration can lead to trapping of superoxide excess in solution and formation of the starting iron(II) complex, confirming the reversible superoxide uptake mechanism. Kinetic characterization of the forward and reverse reaction shows that the reverse reaction is slower for the systems with covalently attached crown ether, confirming the stabilizing effect of the covalent porphyrin crown ether complex. The product iron(III)-peroxo species was shown to be in equilibrium with an iron(II)-superoxo complex and characterized by IR, EPR and Mößbauer spectroscopy. The two species are not resonance structures but two discrete isomers (valence tautomers). High pressure stopped-flow experiments complement the findings and show the mechanism of the reaction in accordance with the existence of an iron(II)-superoxo species in equilibrium with iron(III)-peroxo. Therefore, reaction of superoxide with iron heme systems produces (su)peroxo complexes, in contrast with reaction of iron hemes with peroxides producing high valent iron(IV) oxo species. In the second part of this work, studies on manganese and iron SOD model systems and their reaction with superoxide and NO were carried out. A proven manganese pentaazamacrocyclic SOD mimic showed reaction with NO, contrary to literature opinion. In an EPR study, the catalytic dismutation of NO was confirmed and the mechanism clarified. In an electrochemical study, the influence of amido groups in the ligand system of manganese SOD model systems was studied. In a third study, a new class of five-coordinate iron(II) and manganese(II) complexes containing thiourea donors was synthesized and characterized. This sulfur containing ligand does not form the typical seven-coordinate manganese and iron complexes, but forms sterically hindered five-coordinate compounds with no bound solvent molecules. The ligand is redoxactive and the reaction of the complexes with superoxide shows demetalation and carbodiimide formation of the thiourea groups. This new desulfuration reaction by superoxide is very interesting since it proceeds via formal release of H2S, which is a new gasotransmitter with important biological functions, which are currently under investigation. Im Rahmen dieser Arbeit wurden sowohl stöchiometr. Reaktionen des Superoxids O2- als auch mechanistische Details der katalytischen Superoxiddismutierung mit Fe-Häm-, bzw. Nicht-Häm-Komplexen aufgeklärt. Es wurden erstmals quantitative Untersuchungen an Superoxidreaktionen mit Metallzentren erfolgreich durchgeführt, vor allem Experimente unter hohem Druck, bei tiefen Temperaturen und mit verschiedenen O2--Konzentrationen unter Gewinnung entscheidender kinetischer, thermodynamischer und mechanistischer Einblicke in die Chemie des O2- mit Metallzentren. Die stöchiometr. und katalytischen Reaktionen des O2- mit Metallzentren beinhalten untereinander ähnliche Redoxprozesse. Die dabei denkbaren Intermediate, sogenannte Metall-(Su)peroxo-Addukte, können im Verlauf beider Mechanismen auftreten. Da diese Verbindungen meist instabil sind, kann eine erfolgreiche und vollständige Charakterisierung nur bei Erhöhung ihrer Stabilität geschehen. Daher wurde ein maßgeschneidertes Porphyrin-Kronenether-Ligandensystem verwendet, das durch elektrostatische Wechselwirkungen mit dem benachbarten K+-Ion im Kronenether die Stabilisierung des koordinierten (Su)peroxo-Liganden bewirkt. Zum Vergleich wurde der analoge Komplex ohne kovalent gebundenen Kronenether ebenfalls bzgl. seiner Reaktivität gegenüber O2- untersucht. Zusätzlich untersuchte man die gleichen Reaktionen mit extern zugegebenem Kronenether, um zu verstehen, ob die kovalente Anbindung des Kronenethers Vorteile hat. Im Häm-Fall finden zwei Schritte während der Umsetzung des O2- mit Fe(III) statt. Der erste Schritt ist die Reduktion von Fe(III) zum Fe(II)-Komplex unter Oxidation des O2- zum O2. Der zweite Reaktionsschritt findet bei Fe(II)-Porphyrinen statt, die als Produkt der ersten Reaktion zur Verfügung stehen können. Dabei wird Fe(II) formal oxidiert und O2- reduziert unter Bildung eines Fe(III)-Peroxokomplex. In DMSO liegen Fe(II)-Porphyrine im Gleichgewicht aus high-spin 5-fachkoordinierten mono-DMSO-Komplexen und low-spin 6-fachkoordinierten bis-DMSO-Komplexen vor. Mittels T- und p-abhängiger 1H-NMR-Messungen wurden die entsprechenden Gleichgewichtskonstanten sowie die Reaktionsenthalpien, -entropien und -volumina beider Systeme bestimmt. Die Reaktion der Fe(II)-Spezies mit O2- ist reversibel. Dies ist das erste Beispiel sowohl für die reversible Bindung von O2- an ein Häm-System als auch für die reversible Bildung eines Peroxo-Komplexes. Die Bestimmung der O2--Bindungskonstanten zeigte, dass die Peroxo-Spezies mit kovalent gebundenem Kronenether die stabilste ist, was man auf die sterische und elektrostatische Abschirmung der Peroxogruppe in der vom K+-koordinierten Kronenether und der Häm-Gruppe gebildeten Tasche zurückführen kann. Der Peroxo-Komplex ist damit sogar einer der stabilsten in der Literatur. Die Feineinstellung der H+-Konzentration führt zur Verringerung des O2--Überschusses in Lösung und damit zur Bildung des Fe(II)-Anfangskomplexes. Dies bestätigt den reversiblen O2--Koordinierungsmechanismus. Die kinetische Charakterisierung der Hin- und Rückreaktion zeigte, dass die Rückreaktion im Fall der Systeme mit kovalent gebundenem Kronenether langsamer ist. Dies bestätigt den stabilisierenden Effekt des Porphyrinliganden mit gebundenen Kronenether. Der Fe(III)-Peroxo-Produktkomplex wurde weiter charakterisiert. IR-, EPR- und Mößbauer-Spektroskopie zeigen, dass er im Gleichgewicht mit einer Fe(II)-Superoxo-Spezies vorliegt. Beide Verbindungen sind keine Resonanzstrukturen sondern diskrete Isomere (Valenztautomere). Diese Ergebnisse wurden durch Hochdruck-Stopped-Flow-Experimente vervollständigt, die verdeutlichen, dass der Mechanismus sich im Einklang mit der Existenz eines Fe(II)-Superoxo-Fe(III)-Peroxo-Gleichgewichts befindet. Daher produziert die Reaktion von Fe-Häm-Systemen mit O2- (Su)peroxokomplexe im Gegensatz zur Reaktion mit Peroxiden, was zur Bildung von hochvalenten Fe(IV)-Oxo-Spezies führt. Im zweiten Teil der Arbeit wurden Studien an Mn- und Fe-SOD-Modellkomplexen und deren Reaktion mit O2- und NO durchgeführt. Ein nachgewiesenes Mn-SOD-Mimetikum reagierte mit NO im Gegensatz zur bisherigen Literaturmeinung. In einer EPR-Studie wurde die katalytische Dismutierung mit NO nachgewiesen und der Mechanismus geklärt. In einer elektrochemischen Studie wurde weiterhin der Einfluss von Amidgruppen auf das Ligandensystem von SOD-Modellkomplexen untersucht. In einer dritten Studie wurde eine neue Klasse von Fe(II)- und Mn(II)-Komplexen mit Thioharnstoff-Donoren synthetisiert und charakterisiert. Dieser S-haltige Ligand bildet nicht die typischen 7-fachkoordinierten Mn- und Fe-Komplexe, sondern sterisch gehinderte fünffachkoordinierte Verbindungen ohne gebundene Lösungsmittelmoleküle. Der Ligand ist redoxaktiv und die Reaktion der Komplexe mit O2- führt zur Demetallierung und Carbodiimidbildung der Thioharnstoffgruppen. Diese neue Desulfurierungsreaktion durch O2- ist interessant, da sie formal über den biologischen Gasotransmitter H2S-Abgabe abläuft.