Model complexes of heme protein NO adducts: syntheses, spectroscopy, electronic structures, and reactivity
In this thesis, iron-porphyrin NO complexes with and without axial ligand (N-donor or S-donor)have been synthesized as models for NO bound heme proteins present in biological systems such as bacterial nitric oxide reductase (NorBC), fungal nitric oxide reductase (P450nor), nitrophorins, soluble guanylate cyclase, and nitric oxide synthase. The detailed spectroscopic investigations, electronic structures, and reactivities of these model systems are presented in this work. The difference in the electronic structures between the five-coordinate (5C) [FeII(TPP)(NO)] and the six-coordinate (6C) [FeII(TPP)(MI)(NO)] (TPP = tetraphenylporphyrin; MI = 1-methylimidazole) has been evaluated using magnetic circular dichroism (MCD) spectroscopy together with DFT calculations. The MCD C term is observed in the 5C case due to a large transfer of spin density from NO to Fe(II), resulting in an electronic structure with noticeable Fe(I)-NO+ character. Upon binding the sixth ligand, the electron density is pushed back from the iron to NO, resulting in an Fe(II)-NO(radical) type electronic structure (MCD A and B terms). UV-vis and 1H NMR binding studies of N-donor ligands to the 5C complexes indicate that the coordination of axial ligands weakens the Fe-NO bond, thereby inducing denitrosylation. The obtained force constants of N-O and Fe-NO bonds are larger for the 5C compared to the 6C case, also in accordance with the weakening of the Fe-NO bond in the 6C complexes. DFT calculations show that the formation of nitrosyl complexes is energetically more favorable for ferrous compared to ferric systems by ~7.5 kcal/mol. The thiolate coordinated Fe(II)-NO complexes have been synthesized and investigated in solution using EPR spectroscopy. From the obtained g values and 14N hyperfine splittings, it is concluded that the interaction of thiolates with the Fe(II)-NO center is weak. In addition, the interaction of NO with [FeIII(TPP)(SPhF4)] has been investigated at low temperature using in-situ UV-vis spectroscopy. The synthesis of a stable six-coordinate complex in solution, in the absence of excess base, has been achieved with covalently attached axial N-donor ligands to iron(II)-porhyrins. The ν(NO) value of 1644 cm-1 from FT-IR shows weaker binding of benzyl linked imidazole to the Fe(II)-NO center compared to free MI. Furthermore, a heme/non-heme dinitrosyl complex has been synthesized and characterized as a complete structural model for the NorBC active site.
In dieser Arbeit wurden Eisenporphyrin-NO Komplexe mit und ohne axialen Liganden (N- oder S-Donor) als Modellsysteme für NO-gebundene Hämproteine synthetisiert, welche in biologischen Systemen wie der bakteriellen Stickstoffmonoxidreduktase (NorBC), der Stickstoffmonoxidreduktase in Pilzen (P450nor), den Nitrophorinen, der löslichen Guanylatcyclase und der Stickstoffmonoxidsynthase vorkommen. Detaillierte spektroskopische Untersuchungen der elektronischen Strukturen und Reaktivitäten dieser Modellsysteme werden hier vorgestellt. Die Unterschiede in den elektronischen Strukturen zwischen fünffach-koordiniertem (5C)[FeII(TPP)(NO)] und sechsfach-koordiniertem (6C) [FeII(TPP)(MI)(NO)] (TPP = Tetraphenylporphyrin; MI = 1-Methylimidazol) wurden mit Hilfe des magnetischen Zirkulardichroismus (MCD), gekoppelt mit DFT-Rechnungen, untersucht. Ein reiner MCD C-Term wird im Fall des 5C Komplexes aufgrund der großen Übertragung von Spindichte vom NO auf das Eisen(II) beobachtet, was zu einer elektronischen Struktur mit merklichem Fe(I)-NO+-Charakter führt. Durch das Binden des sechsten Liganden wird Elektronendichte vom Eisen auf das NO zurückgeschoben, was zu einer Fe(II)-NO(Radikal) elektronischen Struktur führt (MCD A- und B-Terme werden beobachtet). UV-Vis- und 1H-NMR-Bindungsstudien von N-Donorliganden an 5C Komplexe zeigen, dass die Koordination des axialen Liganden zu einer Schwächung der Fe-NO Bindung führt, wodurch die Abspaltung des NO’s induziert wird. Die Kraftkonstanten der N−O- und Fe−NO-Bindungen sind im 5C Komplex größer als im 6C Komplex, was in Übereinstimmung mit einer Schwächung der Fe-NO Bindung im 6C Komplex ist. DFT Rechnungen zeigen, dass die Bildung von Fe(II)-NO Komplexen um ~7.5 kcal/mol im Vergleich zu entsprechenden Fe(III)-NO Komplexen favorisiert ist. Verschiedene Thiolat-koordinierte Fe(II)-NO Komplexe wurden in Lösung synthetisiert und mit Hilfe der EPR-Spektroskopie untersucht. Die erhaltenen g-Werte und die 14N-Hyperfeinaufspaltung zeigen, dass die Wechselwirkung der Thiolate mit der Fe(II)-NO Einheit schwach ist. Außerdem wurde die Wechselwirkung von NO mit [FeIII(TPP)(SPhF4)] bei tiefen Temperaturen mit Hilfe der UV-Vis Spektroskopie in-situ untersucht. Die oben beschriebenen Bindungsstudien von N-Donorliganden an 5C Eisen(II)-NO Komplexe haben gezeigt, dass die Synthese eines stabilen 6C Komplexes in Lösung in Abwesenheit von überschüssiger Base schwierig ist. Dieses Ziel wurde mit Hilfe eines kovalent an das Porphyrin gebundenen NDonorliganden realisiert. Die N-O Schwingungsfrequenz ν(NO) in den so erhaltenen Eisen(II)-NO Komplexen wurde mit Hilfe der FT-IR Spektroskopie bestimmt. Für den Liganden H2(T-oF2PP-BzIM) wurde eine Frequenz von 1644 cm-1 bestimmt, ein Wert der jedoch immer noch höher liegt als im Fall eines freien Imidazol-Liganden. Darüber hinaus wurde ein Häm/Nicht-Häm bis-NO-Komplex synthetisiert und als ein vollständiges Strukturmodell für das aktive Zentrum der NorBC charakterisiert.
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