酸素運ぶのコバルト (ii) 錯体の合成

ソース: Deepika Das、タマラ ・ m ・力、化学科、テキサス A & M 大学

生物無機化学、金属の生物学における役割を調査研究のフィールドです。金属を含むすべての蛋白質の半分約とそれはことをすべての蛋白質の 3 分の 1 に依存する機能する金属を含むアクティブなサイトが推定されます。金属、金属タンパク質と呼ばれる機能タンパク質は、さまざまな生活のために必要な細胞の機能に重要な役割を再生します。金属タンパク質が興味をそそら、何十年も合成無機化学者を触発し、多くの研究グループは、錯体の研究によるタンパク質の活性部位の金属含有の化学をモデリングに彼らのプログラムを捧げています。

O₂の輸送は、生きている有機体のための重要なプロセスです。O₂-金属タンパク質輸送、輸送、バインディングを行うと、酸素を放出し、される呼吸などの生命プロセスのため。酸素運ぶのコバルト調整錯体 [N,N'-bis(salicylaldehyde)ethylenediimino]cobalt(II) [Co(salen)]₂は、どのように金属錯体についてバインド O_{2 が可逆的に深い理解を広く研究されています。}.¹

この実験では [Co(salen)]₂を合成、O₂ジメチルスルホキシド (DMSO) の存在とその可逆反応を研究します。まず、O₂ [Co(salen)]₂の DMSO への暴露時の消費量を定量化します。我々、CHCl₃固体を公開することによって付加体 [Co(salen)]₂- O₂ O₂のリリースを視覚的に観察されます。

異なる反応条件から分離できる [Co(salen)]₂ (アクティブおよび非アクティブ)、2 つの固体の多形があります。アクティブおよび非アクティブ [Co(salen)]₂が自分の色で変わる (ブラウン、レッド、それぞれ)、構造および反応性。両方の多形は二量体の単位から成っています。アクティブな [Co(salen)]₂の場合それぞれ₂分子は、2 つの Co(salen) の共同センター近く、非常に弱い van der waals 力を形成、金属間の相互作用センター (図 1)。アクティブなフォームは弱い Co Co 操作の展示物、二量体の単位間の分離提供共同センターと反応する O₂のためのスペースその結果、固体状態の O₂ [Co(salen)]₂のアクティブなフォームが反応します。

[Co(salen)]₂のいわゆる非アクティブなフォーム、1 つの分子の共同センターと他 (図 1) から酸素原子の与格の相互作用があります。Co(salen)₂台が近く一緒にアクティブなフォームと比較して、その結果、非アクティブなフォームは固体状態とだけ反応する O₂ (DMSO) など調整溶媒存在下での空気中で安定します。二量体のユニットが中断され、[Co(salen)]₂- O₂付加物を安定化させます。非アクティブな [Co(salen)]₂は、処理や調査に固体空気無料テクニックを使用せずに分離できるので簡単です。したがって、この実験では、非アクティブな [Co(salen)]₂を合成し、O₂ DMSO 存在下での反応を研究します。

O₂、二原子分子を金属・ センター (図 2) に調整することができますいくつかの方法があります。最後にバインディングは O₂の酸素原子の 1 つに金属-酸素結合の結果します。結合、金属中心に酸素原子フォーム債券の両方で。いくつかのケースで O₂単位の 2 つの金属錯体が最後に、サイドのバインディングも見橋します。

無効な [Co(salen)]₂フォーム O₂の 2:1 コバルトは、調整の溶媒、DMSO 存在下で付加物します。最後にブリッジ ファッション (図 3) と協調の DMSO 分子の O₂ユニット橋 2 つコバルト センターは、それぞれの共同センターの八面体の配位圏を完了します。O₂とdの MO の図表を考える場合-軌道我々 を理解することができます [Co(salen)]₂ダイアグラムを分割 2:1 O₂がなぜ付加物が好まれている (図 4)。O₂ π * モス [Co(salen)]₂では 2 つの不対電子が三重項基底状態は常磁性、その σ で 1 つの不対電子を持つ * d_z² MO (正方形平面 (D_{4 h}) と仮定すると Co^{2 +}7 de^-)。[Co(salen)]₂ O₂のバインドが酸化還元反応では、分子は 1 e^-各コバルトで +3 と O の₂分子の最終的な酸化状態によって酸化されて 2 つの Co(salen) は 2 eにより、削減し^-_,過酸化物の形成に終って(O₂^-2)。コバルト (iii) d⁶であり、したがって、別の電子を与えることをしていないので、1:1 の付加物はここでは支持されていない (MO 理論のレビューを/d-分割、軌道は、群論と MO 遷移理論のビデオを見る金属錯体)。

このビデオで実験的非アクティブな [Co(salen)]₂ O₂ DMSO 存在下での反応に比 Co:O₂ O₂のクローズド システムで失われる量を測定することにより決定します。理想気体法律 (式 1) を使用して、O₂消費のモル数を計算できます。

PV = nRT (式 1)
P = 圧力 = 1 atm
V = 体積 (L)
R = 0.082 L atm mol^-1 K^-1
T = 温度 (K)
n = モル

我々 は、結果として得られる固体 [Co(salen)]₂- O₂-(DMSO)₂クロロホルム (CHCl₃) を公開することによって、O₂結合の可逆性を検討します。CHCl₃ ([Co(salen)]₂- O₂を安定させることはできません非調整の溶媒が付加体) の追加は、DMSO 濃度の減少に します。DMSO 濃度の低下、時に、図 3に示すように平衡は O₂ガスの解放の結果として、反応に向かってシフトしますル Châtelier の原理を説明できます。

図 1.[Co(salen)]₂のアクティブおよび非アクティブなフォーム。

図 2 。M 金属部に O₂の調整モード。

図 3.[Co(salen)]₂O₂の可逆反応。

図 4 。O₂とdの MO の図表-軌道 (群論、正方形平面ジオメトリを想定してから派生した) Co(salen) の図を分割します。

1. 非アクティブな [Co(salen)]₂の合成

1. 95 120 mL と 250 mL の三つ口丸底フラスコを充電 %etoh、サリチルアルデヒドの 2.20 g (0.192 mL、0.018 mol)。
2. センター ネックを N₂に接続されているコンデンサーに合います。ゴムキャップとゴムキャップが装備添加漏斗と他の 2 つの首に合います。
3. 水浴中で反応を攪拌し、熱還流 (80 ° C) への解決策。
4. 丸底フラスコ中隔を介してシリンジを介してエチレンジアミン (0.52 g、0.58 mL 0.0087 mol) を追加します。
5. 50 mL の丸底フラスコに 15 mL の蒸留水で (2.17 g、0.0087 mol) Co(OAc)₂·4H₂O のソリューションを準備します。酢酸コバルトのすべてが分解することを確保するための三つ口フラスコを含む同じ水浴のソリューションを加熱します。
6. コバルトの酢酸溶液を添加漏斗に追加します。
7. ドガのバブル N₂ ~ 10 分添加漏斗の液体によってコバルト酢酸溶液 (液体パージのより詳細な手順については「合成の Ti(III) メタロセン Schlenk ライン法による「ビデオを参照).コンデンサー N₂アダプターは、コバルトの酢酸溶液をバブルに N₂を許可するように閉鎖する必要があります。
   注: は、クローズド システムを決して熱!システムを脱ガス中に発散することを確認します。
8. ゆっくりとコバルト (ii) 酢酸溶液を追加 (~ 1 のドロップ/s)、精力的にエタノール混合物を攪拌しながら。十分な攪拌せず分厚い沈殿形成されます攪拌棒をジャムすることができます。
9. 酢酸コバルトのすべてが追加された後は、1 時間還流下で反応をかき混ぜます。
10. ホット プレートの電源を切り、3 首丸底フラスコを水浴から削除します。
11. フラスコから冷却器及び添加漏斗を削除します。[Co(salen)]₂の沈殿物を容易にする氷浴でフラスコを水没します。
12. 固体を分離し、冷たいエタノール結果赤い固体を洗浄を真空下でソリューションをフィルター処理します。
13. 固体を分離します。反応の収率を計算し、[Co(salen)]₂の IR を収集します。O₂吸収反応でそれを使用する前に、[Co(salen)] の₂が乾いていることを確認します。

2. O₂吸収 (図 5)¹の装置セットアップ

注: システムが漏洩しない非常に重要です。システムの漏れが予想よりも低いにつながる Co:O₂の比率。

1. 針を O₂ (超高純度) タイゴン チューブとボンベに接続します。優しくバブル O₂ ~ 5 mL の DMSO の少なくとも 10 分のための。
2. O₂で、DMSO は飽和状態、タイゴン チューブ (長さごとの 1.5 フィート) で卒業 10 mL ガラス製ピペットの両端に適合.
3. ガラス漏斗をタイゴン チューブ部分の 1 つに接続します。
4. クランプ ガラス ピペットとリング スタンドに漏斗、漏斗を向いているし、管が U 形 (図 5) を形成します。
5. ピペットを記入し、鉱物油と漏斗します。油がまたピペットに接続されている管を埋めるかどうかを確かめて、漏斗を通ってオイルを追加します。漏斗は漏斗を約半分の方法をいっぱいまでオイルを追加していきます。近づきすぎるオイルはいけない漏斗の上に O₂として目標到達プロセスを介してバブルを引き起こす可能性が目標到達プロセスがいっぱい場合はね。
6. 管の開放端側、側腕テスト チューブ (試験管 A) を添付します。
7. サイドアームの試験管のガラス ピペットへの接続に非アクティブな [Co(salen)]₂の 50 mg (0.077 モル) を追加します。
8. 3 mL テスト チューブ (試験管 B) を O₂飽和 DMSO の 2 mL を追加します。
9. 試験管 A に低やさしく試験管 B にピンセットのペアを使用して、DMSO のいずれかをこぼさないように注意しています。この時点で、DMSO に [Co(salen)]₂を公開することが重要です。
10. ゴムキャップで試験管 A をシールします。漏れを防ぐために隔壁を配線します。
11. 鼻中隔に O₂ガソリン タンクに接続されている針を挿入し、O₂ 10 分のシステムを削除します。
12. O₂針を除去し、グリース漏れを防止するゴムキャップの上。
13. セットアップ内の圧力のいくつかはガラス製ピペットに油を得るにリリースする必要があります。試験管 A. カバー指で開口部のゴムキャップに無料の針を挿入し、ゆっくりとセットアップ内の圧力を解放します。グリース漏れを防止する新しい穴をカバーすることを忘れないでください。
14. ガラス ピペットを移動し、漏斗、ガラスの両方の部分に油のレベルが揃うようにします。
15. ガラス ピペット内の油の音量レベルを記録します。

図 5。O₂吸収装置セットアップ。

3. O₂吸収反応

1. そっと試験管 a. のサイドアームに入るソリューションのどれもことを確かめるテスト チューブをひっくり返すことによって固体 [Co(salen)]₂ DMSO を追加します。
2. すべて、DMSO が追加されて、試験管の上部を押しながらそっと試験管を前後に揺することによってソリューションをミックスします。
   注: はないに使用し、上下振動運動。テスト チューブ A の破壊につながることができますあまりにも激しく一緒に 2 つの試験管を叩いて
3. ピペットのオイルレベル (約 15-20 分) 上昇を停止するまで、試験管を手で軽く振るし続けます。
4. 一度 O₂消費を停止すると、ピペットと目標到達プロセスよう移動油レベル ラインを。
5. ガラス ピペットにオイルの新しいボリューム レベルを記録します。音量差は O₂大気での反応中の消費量 (1 atm) 圧力。
6. 部屋の温度を記録します。

4. O₂ [Co(salen)]₂ - O₂からの解放の付加物します。

1. ステップ 3 から得られた DMSO 溶液を 15 mL 遠心管に転送します。
2. 水の相当量の 2 番目のテスト チューブを入力します。
3. お互いに向かい試験管を遠心分離器に挿入します。
4. 少なくとも 15 分間サンプルを遠心します。遠心時間を増やすと結果の固体ペレットの品質が向上します。
5. そっと試験管を削除 [Co(salen)]₂- O₂付加物サンプル、ペレットの邪魔にならないようにします。
6. ペレット、DMSO 溶液をデカント慎重に。
7. 遠心管を 45 ° の角度で上向きペレットと保持、徐々 に遠心分離機管の側面の下で滴るソリューションにより CHCl₃ピペット、1 mL を追加します。

非アクティブな [Co(salen)]₂の特性:

ATR 添付ファイルで収集された IR (cm^-1): 2357 (w) 1626 (w) 1602 (m) 1542 (w) 1528 (m) 1454 (w) 1448 (m)、1429 (m) 1348 (w) 1327 (w) 1323 (m)、1288 (m) 1248 (w) 1236 (w) 1197 (m)、1140 (m) 1124 (m)、1089 (w) 1053 (m) 1026 (w)970 (w), 952 (w), 947 (w)、902 (m), 878 (w)、845 (w), 813 (w)、794 (w)、750 (s), 730 (s)。

O₂吸収。

59.2 mg (0.090 モル) [Co(salen)]₂は、O₂0.002 L 消費。基準圧力と 3.6 のステップで記録された温度を使って、O₂消費の付加モル数はあった。

[Co(salen)]₂0.090 モルの Co の計算モル:

したがって Co:O₂の比率だった。

0.180 ミリ モル Co: 0.082 モル O₂

O₂Co の 2:0.91 比と等価であります。

[Co(salen)]₂-O₂ CHCl₃添加が付加体します。

CHCl₃また、CHCl₃ソリューションが真っ赤になって、泡の流れは O₂ガスの放出および非アクティブな [Co(salen)]₂の形成を示す固体から解放されました。

このビデオでは、二原子酸素が金属・ センターに調整できるさまざまな方法を説明しました。我々 は、酸素を運ぶコバルト複合体 [Co(salen)]₂を合成し、O₂との可逆的結合を検討します。実験、非アクティブな [Co(salen)]₂可逆 O₂と DMSO 存在下で付加体 2:1 Co:O₂フォームをバインドを示した。

すべての脊椎動物に依存、ヘモグロビン、金属タンパク質は赤血球、呼吸器だけでなく、他の組織に酸素を運ぶ。ヘモグロビン、酸素可逆が結合してヘム グループ単一 Fe センター コーディネート (図 6 a) ポルフィリンと呼ばれる複素環式リングを特色にします。ヘモグロビンは、唯一の酸素運搬・金属タンパク質ではありません。たとえば、軟体動物は、ヘモシアニンの銅二核活性部位 (図 6 b) 酸素輸送に責任があるがあると呼ばれる蛋白質を所有しています。

金属タンパク質のモデル アクティブ サイトに合成の分子種を使用して蛋白質の上部構造に囲まれた金属に比べて単純な配位化合物の電子構造の違いのために挑戦です。その結果、金属タンパク質の活性部位の構造を正確に複製することは困難が多いです。構造的に金属の活性部位を模倣モデル錯体の例中、ネイティブの金属に固有の反応性を示す構造的に類似のモデル錯体の少数の例があります。

図 6 。ヘモグロビン (、)、Fe のセンター ヘモシアニンで銅含有活性部位 (b) にバインド ブリッジ側の向きで O₂ O₂最後のファッションに結合され。

1. Niederhoffer, E. C., Timmons, J. H., Martell, A. E. Thermodynamics of Oxygen Binding in Natural and Synthetic Dioxygen Complexes. Chem Rev. 84, 137-203 (1984).
2. Appleton, T. G. Oxygen uptake by cobalt(II) complex. An undergraduate experiment. J Chem Educ. 54 (7), 443 (1977).
3. Ueno, K., Martell, A. E. Infrared Studies on Synthetic Oxygen Carriers. J Phys Chem.60, 1270–1275 (1956).