Beredning av SNS Kobolt (II) Pincer Modell Komplex av lever alkohol Dehydrogenas
Summary
Beredningen av SNS pincer kobolt (II) modell komplex av lever alkohol dehydrogenas presenteras här. Komplexen kan förberedas genom att reagera ligand prekursor med CoCl2·6H2O och kan sedan rekristalliseras genom att låta dietyleter långsamt diffusa till en acetonitril lösning som innehåller koboltkomplexet.
Abstract
Kemiska modellkomplex är beredda att representera den aktiva platsen för ett enzym. I detta protokoll, en familj av tridentate pincer ligand prekursorer (var och en som har två svavel och ett kväve givare atom funktioner (SNS) och bygger på bis-imidazole eller bis-triazole föreningar) metalleras med CoCl2·6H2O att ge tridentate SNS pincer kobolt (II) komplex. Beredning av kobolt(II) modell komplex för lever alkohol dehydrogenas är facile. Baserat på en snabb färgförändring vid tillägg av CoCl2·6H2O till acetonitrillösning som innehåller ligandprekursoren, bildar de komplexa formerna snabbt. Bildandet av metallkomplexet är komplett efter att lösningen kan återloppa över natten. Dessa kobolt(II) komplex fungera som modeller för zink aktiv plats i lever alkohol dehydrogenas (LADH). Komplexen kännetecknas med enkel kristall röntgendiffraktion, elektrospray masspektrometri, ultraviolett synlig spektroskopi och elementär analys. För att exakt bestämma strukturen på komplexet måste dess enda kristallstruktur bestämmas. Enstaka kristaller av de komplex som är lämpliga för röntgendiffraktion odlas sedan via långsam ångdiffusion av dietyleter till en acetonitrillösning som innehåller kobolt(II) komplexet. För kristaller av hög kvalitet sker omkristallisering vanligtvis under en 1 veckas period, eller längre. Metoden kan tillämpas på beredning av andra modellkoordineringskomplex och kan användas i grundutbildningslaboratorier. Slutligen, Man tror att andra kan hitta denna omkristallisering metod för att få enstaka kristaller fördelaktigt för sin forskning.
Introduction
Syftet med den presenterade metoden är att förbereda små molekylanaloger av LADH för att ytterligare förstå metalloenzymernas katalytiska aktivitet. LADH är ett dimeric enzym som innehåller en kofaktorbindande domän och zink(II) metallinnehållande katalytisk domän1. LADH, i närvaro av co-faktor NADH, kan minska ketoner och aldehyder till sina respektive alkoholderivat2. I närvaro av NAD+kan LADH utföra omvänd katalys av oxidation av alkoholer till ketoner och aldehyder2. Kristallstrukturen i LADH: s aktiva plats visar att dess zink (II) metall centrum är bunden till en kväveatom, som tillhandahålls av en histidin sidokedja och två svavelatomer och erbjuds av två cystein ligands3. Ytterligare forskning har visat att zinkmetallcentrum är ligated med en labile vattenmolekyl, vilket resulterar i pseudo-tetraedral geometri runt metallcentrum4.
Vi har tidigare rapporterat och utnyttjat SNS pincer ligand prekursorer samt metallerade ligand prekursorer med ZnCl2 att bilda Zn (II) komplex som innehåller tridentate ligand föregångare5,,6,7. Dessa ligandprekursorer visas i figur 1. Dessa zink(II) komplex uppvisade verksamhet för stökiometrisk minskning av elektron-fattiga aldehyder och är därför modell komplex för LADH. Därefter har syntes och karakterisering av en serie koppar(I) och koppar (II) komplex som innehåller SNS ligand prekursorer rapporterats8,9,10.
Även OM LADH är en zink (II) enzym, vi är intresserade av att förbereda kobolt (II) modell komplex av LADH för att få mer spektroskopisk information om kobolt (II) analoger av LADH. Kobolt(II) komplex är färgade, medan zink (II) komplex är off-white. Eftersom kobolt(II) komplex är färgade, ultraviolett synliga spektra av komplexen kan erhållas, där information om styrkan i ligand fältet i kobolt (II) komplex kan också samlas in. Genom att använda information från Gaussiska beräkningar och den experimentellt erhållna ultravioletta synliga spektra kan information om ligandfältets styrka härledas. Kobolt(II) är ett bra substitut för zink(II), eftersom båda jonerna har liknande joniska radier och liknande Lewis acidities11,12.
Den presenterade metoden innebär syntetisera och karakterisera modellkomplex för att försöka efterlikna det naturliga katalytiska beteendet hos LADH5,6. Vi har tidigare metallerat en familj av ligand prekursorer med ZnCl2 att bilda zink (II) modell komplex av LADH, som modellerade strukturen och reaktiviteten hos zink aktiv plats i LADH4. Genom flera experiment har dessa pincer ligander visat sig vara robusta under olika miljöförhållanden och har förblivit stabila med en varierad samling av bifogade R-grupper. 5,,6
Tridentate ligander är att föredra jämfört med monodentate ligander, eftersom de har visat sig vara mer framgångsrika med metaller på grund av de starka kelateffekterna av tridentate ligander. Denna iakttagelse beror på en mer gynnad entropia av tridentate pincer ligand bildas i jämförelse med en monodentate ligand13. Dessutom tridentate pincer ligander sannolikt kommer att förhindra dimerization av metallkomplex, vilket gynnas eftersom dimerization sannolikt kommer att bromsa katalytisk aktivitet av en komplex14. Således, med hjälp av tridentate pincer ligander har visat sig framgångsrika i organometallic kemi i utarbetandet av katalytiska aktiva och robusta komplex. SNS pincer komplex har studerats mindre än andra pincer system, som pincer komplex innehåller vanligtvis andra och tredje raden övergång metaller15.
Denna forskning om metalloenzymer kan bidra till att främja förståelsen av deras enzymatiska aktivitet, som kan tillämpas på andra områden inom biologin. Denna metod för att syntetisera modellkomplex jämfört med den alternativa metoden (syntetisera hela proteinet av LADH) är gynnsam för ett antal skäl. Den första fördelen är att modellkomplex är låga i molekylmassa och fortfarande kan exakt representera katalytisk aktivitet och miljöförhållanden hos det naturliga enzymets aktiva plats. För det andra är modellkomplex enklare att arbeta med och producera tillförlitliga och relatable data.
Detta manuskript beskriver syntetisk beredning och karakterisering av två kobolt (II) pincer modell komplex av LADH. Båda komplexen har en pincer ligand som innehåller svavel, kväve och svavel givare atomer. Det första komplexet (4) är baserat på en imidazol prekursor, och den andra (5) är baserad på en triazole föregångare. Komplexen visar reaktivitet för stökiometri minskning av elektron fattiga aldehyder i närvaro av en väte givare. Dessa reaktivitetsresultat kommer att rapporteras i ett senare manuskript.
Protocol
Representative Results
Discussion
Beredningen av komplex 4 och 5 är facile. Det viktigaste steget är att lägga till den solida CoCl2·6H2O till en acetonitrillösning som innehåller respektive ligandprekursor. Lösningen blir mörkgrön inom några sekunder efter tillsatsen av CoCl2·6H2O för att bilda komplex 4. Lösningen blir klarblå efter tillsats av CoCl2·6H2O för att bilda komplex 5. För att säkerställa fu…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
John Miecznikowski fick ekonomiskt stöd från följande för detta projekt: Connecticut NASA Space Grant Alliance (Award Number P-1168), Fairfield University Science Institute, College of Arts and Sciences Publication Fund, Fairfield University Faculty Summer Research Stipendium, och National Science Foundation-Major Research Instrumentation Program (Grant Number CHE-1827854) för medel för att förvärva en 400 MHz NMR spektrometer. Han tackar också Terence Wu (Yale University) för hjälp med att förvärva elektrospray massspektra. Jerry Jasinski erkänner National Science Foundation-Major Research Instrumentation Program (Grant Number CHE-1039027) för medel för att köpa en röntgendiffractometer. Sheila Bonitatibus, Emilse Almanza, Rami Kharbouch och Samantha Zygmont erkänner Hardiman Scholars Program för att tillhandahålla deras sommarforskning stipendium.
Materials
| 100 mL Round Bottomed Flask | Chem Glass | CG150691 | 100mL Single Neck Round Bottomed Flask, 19/22 Outer Joint |
| Acetonitrile | Fisher | HB9823-4 | HPLC Grade |
| Chiller for roto-vap | Lauda | L000638 | Alpha RA 8 |
| Cobalt Chloride hexahydrate | Acros Organics | AC423571000 | Acros Organics |
| Diethyl Ether | Fisher | E-138-1 | Diethyl Ether Anhydorus |
| graduated cylinder | Fisher | S63456 | 25 mL graduated cylinder |
| hotplate | Fisher | 11-100-49SH | Isotemp Basic Stirring Hotplate |
| jars | Fisher | 05-719-481 | 250 mL jars |
| Ligand | —– | —– | Synthezied previously by Professor Miecznikowski |
| medium cotton balls | Fisher | 22-456-80 | medium cotton balls |
| one dram vials | Fisher | 03-339 | one dram vials with TFE Lined Cap |
| pipet | Fisher | 13-678-20B | 5.75 inch pipets |
| pipet bulbs | Fisher | 03-448-21 | Fisher Brand Latex Bulb for pipet |
| recrystallizing dish for sand bath | Fisher | 08-741 D | 325 mL recrystallizing dish for sand bath |
| reflux condensor | Chem Glass | CG-1218-A-22 | Condenser with 19/22 inner joint |
| Rotovap | Heidolph Collegiate | 36000090 | Brinkmann; Heidolph Collegiate Rotary Evaporator with Heidolph WB eco bath Heidolph Rotary Evaporator |
| sea sand for sandbath | Acros Organics | 612355000 | washed sea sand for sand bath |
| Stir bar | Fisher | 07-910-23 | Egg-Shaped Magnetic Stir Bar |
| Vacum grease | Fisher | 14-635-5D | Dow Corning High Vacuum Grease |
| vacuum pump for rotovap | Heidolph Collegiate | 36302830 | Heidolph Rotovac Valve Control |
References
- Holm, R. H., Kennepohl, P., Solomon, E. I. Structural and Functional Aspects of Metal Sites in Biology. Chemical Reviews. 96 (7), 2239-2314 (1996).
- Ibers, J. A., Holm, R. H. Modeling coordination sites in metallobiomolecules. Science. 209 (4453), 223-235 (1980).
- Kannan, K. K., et al. Crystal structure of human erythrocyte carbonic anhydrase B. Three-dimensional structure at a nominal 2.2-A resolution. Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 72 (1), 51-55 (1975).
- Eklund, H., Brändén, C. I. Structural differences between apo- and holoenzyme of horse liver alcohol dehydrogenase. Journal of Biological Chemistry. 254, 3458-3461 (1979).
- Miecznikowski, J. R., et al. Syntheses, Characterization, Density Functional Theory Calculations and Activity of Tridentate SNS Zinc Pincer Complexes. Inorganica Chimica Acta. 376, 515-524 (2011).
- Miecznikowski, J. R., et al. Syntheses, Characterization, Density Functional Theory Calculations, and Activity of Tridentate SNS Zinc Pincer Complexes Based on Bis-Imidazole or Bis-Triazole Precursors. Inorganica Chimica Acta. 387, 25-36 (2012).
- Sunderland, J. R., et al. Investigation of liver alcohol dehydrogenase catalysis using an NADH biomimetic and comparison with a synthetic zinc model complex. Polyhedron. 114, 145-151 (2016).
- Miecznikowski, J. R., et al. Synthesis and characterization of three- and five-coordinate copper(II) complexes based SNS ligand precursors. Polyhedron. 80, 157-165 (2014).
- Miecznikowski, J. R., et al. Synthesis, Characterization, and Computational Study of Three-Coordinate SNS Copper(I) Complexes based on Bis-Thione Ligand Precursors. Journal of Coordination Chemistry. 67, 29-44 (2014).
- Lynn, M. A., et al. Copper(I) SNS Pincer Complexes: Impact of Ligand Design and Solvent Coordination on Conformer Interconversion from Spectroscopic and Computational Studies. Inorganica Chimica Acta. 495, (2019).
- . Web Elements Available from: https://www.webelements.com/zinc/atom_sizes.html (2019)
- . Web Elements Available from: https://www.webelements.com/cobalt/atom_sizes.html (2019)
- Caballero, A., Díez-Barra, E., Jalón, F. A., Merino, S., Tejeda, J. 1,1′-(pyridine-2,6-diyl)bis(3-benzyl-2,3-dihydro-1H-imidazol-2-ylidine), a new multidentate N-heterocyclic bis-carbene and its silver(I) complex derivative. Journal of Organometallic Chemistry. 617-618, 395-398 (2001).
- Albrecht, M., van Koten, G. Platinum Group Organometallics Based on “Pincer” Complexes: Sensors, Switches, and Catalysis. Angewandte Chemie International Edition. 40 (20), 3750-3781 (2001).
- Peris, E., Crabtree, R. H. Key factors in pincer ligand design. Chemistry Society Reviews. 47, 1959-1968 (2018).
- Dolomanov, O. V., Bourhis, L. J., Gildea, R. J., Howard, J. A. K., Puschmann, H. A complete structure, solution, refinement, and analysis program. Journal of Applied Crystallography. 42, 339-341 (2009).
- Sheldrick, G. M. Integrated Space Group and Crystal Structure Determination. Acta Crystallography. 71, 3-8 (2015).
- Sheldrick, G. M. Crystal Structure Refinement with SHELXL. Acta Crystallography. 71, 3-8 (2015).
- Pauling, L. Metal-metal bond lengths in complexes of transition metals. Proceedings of the National Academies of the Sciences of the United States of America. 73, 4290-4293 (1976).
- Trzhtsinskaya, B. V., Abramova, N. D. Imidazole-2-Thiones: Synthesis, Structure, Properties. Sulfur Reports. 10 (4), 389 (1991).
- Schneider, G., Eklund, H., Cedergren-Zeppezauer, E., Zeppezauer, M. Crystal structure of the active site in specifically metal-depleted and cobalt substituted horse liver alcohol dehydrogenase derivatives. Proceedings of the National Academies of the Sciences of the United States of America. 80, 5289-5293 (1983).
- Yang, L., Powell, D. R., Houser, R. P. Structural variation in copper(I) complexes with pyridylmethylamide ligands: structural analysis with a new four-coordinate geometry index, τ4. Dalton Transactions. , 955-964 (2007).
