Aktivierung von Peroxiden durch biologische und Modell-Eisen(III)-Komplexe

In summary, the results demonstrate very well how important the choice of the reaction conditions is in kinetic and mechanistic studies of particular synthetic P450 enzyme mimics. The rate of the oxo-iron(IV) porphyrin -cation radical formation, as well as the stability/reactivity of the created high valent iron species appear to be controlled by the electronic nature of the porphyrin rings and the properties of the solvent used. From the solvents studied, acetonitrile turns out to be the best choice, not only due to the highest rate constants for the formation of the oxo-iron(IV) porphyrin -cation radicals, but also due to extending the stability of the high valent iron intermediates formed in this solvent. Importantly, methanol which is commonly used as a “good protic solvent”, especially in the low-temperature studies of reactive intermediates, can show an unusual effect in which methanol molecules serve as efficient reducing agents for the oxo-iron(IV) cation radicals formed in the “peroxo shunt” reactions. Therefore, care should be taken with the interpretation of results originating from kinetic measurements carried out in pure methanol. Spectroscopic and mechanistic studies on the peroxo-shunt oxidation of the synthetic enzyme mimic of P450 carrying a thiolate proximal ligand, the SR complex, have revealed a significant effect of sulfur coordination on the formation and reactivity/stability of the oxo-iron(IV) porphyrin cation radical derived from SR. The presented results clearly show that the SR complex, in contrast to other P450 models bearing weak donor ligands, tends to cleave organic peroxo acids heterolytically independent of the polarity of the used solvent. Interestingly, studies on oxygenation reactions catalyzed by native P450 enzymes show that these natural systems, although they also carry a thiolate proximal ligand, display a different reactivity behavior than that observed for synthetic thiolate-ligated iron(III) porphyrin models. It means that the much higher ability of P450 enzymes to retain the thiolate proximal coordination during the overall catalytic cycle is associated with the fact that the electron donor capability of the thiolate ligand in the natural systems is significantly reduced by the presence of NH-S- hydrogen bonds present in the proximal protein pocket. Thus, the interaction of the protein environment with the thiolate proximal ligand substantially affects the Fe-S bond and therefore modulates the reactivity of the enzymes according to their biological function.Die Ergebnisse zeigen sehr gut wie wichtig die Wahl der richtigen Reaktionsbedingungen für kinetische und mechanistische Untersuchungen mit synthetischen P450 Enzymen ist. Die Geschwindigkeitskonstante der Porphyrineisen(IV)--Kationradikal-Bildung, sowie auch Stabilität/Reaktivität dieser hochvalenten Spezies, kann durch die elektronische Natur des Porphyrinringes und Eigenschaften der verwendeten Lösungsmitteln kontrolliert werden. An Hand der Ergebnisse aus den Studien mit unterschiedlichen Lösungsmitteln wurde sichtbar, dass Acetonitril das geeignetste Lösungsmittel für die oben erwähnten Untersuchungen ist. Dies aber nicht nur, weil der Porphyrineisen(IV)--Kationradikal in Acetonitril am schnellsten gebildet wird, sondern auch, weil diese hochvalente Eisenzwischenstufe in Acetonitril am stabilsten ist. Ein sehr wichtiger Befund dieser Studie ist, dass Methanol, welches als „gutes protisches Lösungsmittel“ verwendet wurde, auch die Rolle des Reduktanten in der Reaktion mit Porphyrineisen(IV)--Kationradikal übernehmen und “peroxo shunt”-Richtung des Cytochrom P450 katalytischen Zyklus folgen kann. Diese Überlegungen wurden durch Ergebnisse aus den kinetischen Studien in reinem Methanol belegt. Spektroskopische und mechanistische Untersuchungen der Oxidationsreaktionen mit einem Modellkomplex (SR Komplex) des Cytochrom P450, welcher eine Thiolatgruppe als axialer Ligand besitzt, zeigten, dass die Koordinierung des Thiolatliganden am Porphyrin durch Schwefel eine entscheidende Rolle für Reaktivität/Stabilität des gebildeten Porphyrineisen(IV)--Kationradikal spielt. Die Ergebnisse zeigten klar und deutlich, dass SR Komplex, im Vergleich zu P450 Modellkomplexen mit anderen Elektronendonoren als axiale Liganden, unabhängig von der Polarität des verwendeten Lösungsmittels, zur heterolytischen Spaltung der O-O-Bindung bei Peroxosäuren tendiert. Interessanterweise wurden bei den Studien über Oxygenierungsreaktionen, welche von den naturellen P450 Enzymen (mit den Thiolatliganden in der proximalen Position) katalysiert werden, festgestellt, dass die Reaktivität der synthetischen Eisen(III) Porphyrinen, mit Thiolatliganden, sich sehr oft von den naturellen Enzymen unterscheiden kann. Dies bedeutet, dass die hohe Fähigkeit der P450 Enzymen den proximalen Thiolatliganden nach dem katalytischen Zyklus behalten zu können, mit der Tatsache zusammenhängt, dass die Fähigkeit des Thiolatliganden die Elektronen abzugeben von den in der proximalen Proteintasche vorhandenen NH-S- Wasserstoffbindungen vermindert wird. Somit hat die Wechselwirkung des proximalen Thiolatliganden mit der Umgebung auf die Fe-S Bindung einen großen Einfluss. Dadurch werden die Reaktivität des Enzyms und seine biologische Funktion moduliert