Kaiserslautern - Fachbereich Chemie
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Untersuchungen zu Spincrossover und Valenztautomerie an an Eisen(II)- bzw. Kobalt(II)-Komplexen
(2008)
Mit den Komplexen [Fe(L-N4H2)(NCS)2]∙MeOH (1) und [Fe(L-N2S2)(NCS)2]∙0,5 DMF (2) konnten zwei neue Spincrossover-Verbindungen synthetisiert werden, die Thiocyanat-Anionen als Liganden beinhalten. Die magnetischen Untersuchungen für Komplex 1 wurden aufgrund der verwitterungsanfälligen Kristalle mit einer lösungsmittelfreien Probe ([Fe(L-N4H2)(NCS)2]) durchgeführt. Sowohl die SQUID-Magnetometrie als auch die Mößbauer-Spektroskopie zeigen hierbei einen unvollständigen Spinübergang, bei dem bei tiefen Temperaturen ein high-spin Restanteil von 30 % verbleibt. Die Übergangstemperatur beträgt T1/2 = 141 K, für Komplex 2 wird ein Wert von T1/2 = 232 K gefunden. Der Komplex [Fe(L-N4tBu2)(CN)2]•MeCN (3) ist das erste Beispiel einer eisen(II)-haltigen low-spin Verbindung, die den makrozyklischen Pyridinophanliganden L-N4tBu2 enthält. Durch die Verwendung von Coliganden mit geringerer Ligandenfeldstärke (verglichen zum Cyanid-Anion) gelang es in der vorliegenden Arbeit erstmals, Spincrossover-Komplexe mit dem Liganden L-N4tBu2 zu synthetisieren. Dabei handelt es sich um die Eisen(II)-Komplexe [Fe(L-N4tBu2)(bipy)](BPh4)2•MeCN•Et2O (4), [Fe(L-N4tBu2)(phen)](BPh4)2•Et2O (5a), [Fe(L-N4tBu2)(phen)](BPh4)2•MeCN (5b), [Fe(L-N4tBu2)(dppz)](BPh4)2 (6) sowie [Fe(L-N4tBu2)(bpym)](BPh4)2•MeCN (7), bei denen aromatische Diimine als Coliganden eingesetzt wurden. Die Röntgenstrukturanalysen zeigen mehr oder weniger ausgeprägte Bindungslängenunterschiede, die jeweils auf einen Spincrossover schließen lassen. Die magnetischen Untersuchungen zeigen für die Komplexe 4 (T1/2 = 177 K), 5a (T1/2 = 179 K), 5b (T1/2 ≈ 347 K), 6 (T1/2 = 275 K) und 7 (T1/2 ≈ 335 K) Spinübergänge mit unterschiedlichen Verläufen und Übergangstemperaturen. Besonders hervorzuheben sind dabei die analogen Komplexe 5a und 5b, die sich zwar lediglich durch das im Kristallgitter eingebaute Lösungsmittelmolekül unterscheiden, jedoch völlig verschiedene magnetische Eigenschaften und Spinübergangsarten aufweisen. Neben den einkernigen low-spin Komplexen [Fe(L-N4Me2)(bpym)](ClO4)2 (8) und [Fe(L-N4Me2)(BiBzIm)]∙4 MeOH (9) konnten erstmals mit dem Pyridinophanliganden L-N4Me2 zweikernige Spincrossover-Komplexe hergestellt werden. Der zweikernige Komplex [{Fe(L-N4Me2)}2(BiBzIm)](ClO4)2∙2 EtCN (10) zeigt bei T = 175 K einen abrupten high-spin/high-spin→high-spin/low-spin Übergang. Nur eines der beiden Eisen(II)-Ionen geht beim Abkühlen vom high-spin in den low-spin Zustand über. In der Kristallstruktur können bei tiefen Temperaturen die beiden unterschiedlichen Eisen(II)-Zentren genau lokalisiert werden. Ein solcher high-spin/high-spin→high-spin/low-spin Übergang wird auch für [{Fe(L-N4Me2)}2(BzImCOO)](ClO4)2∙0.5 (CH3)2CO (11) beobachtet. Die Übergangstemperatur beträgt hier T = 210 K. Das high-spin und das low-spin Eisen(II)-Ion können in dieser Kristallstruktur bei tiefer Temperatur ebenfalls genau identifiziert werden. Bei dem Komplex [{Fe(L-N4Me2)}2(pndc)](ClO4)2∙H2O (12) handelt es sich ebenfalls um einen zweikernigen Spincrossover-Komplex, der einen vollständigen Spinübergang aufweist (T1/2 ≈ 260 K). Die Untersuchungen zur Valenztautomerie wurden an Kobalt-Komplexen mit dem redoxaktiven Liganden 3,5-Di-tert-butylcatecholat und den makrozyklischen Pyridinophan-liganden L-N4Me2 und L-N4tBu2 durchgeführt. Die Röntgenstrukturanalyse weist Verbindung [Co(L-N4Me2)(dbc)](BPh4) (13) als diamagnetische low-spin Kobalt(III)-Catecholat-Spezies aus. Die C-C-Bindungen und die C-O-Abstände belegen, dass der Dioxolenligand in der Catecholat-Form vorliegt. Außerdem sind die Co-N- und die Co-O-Bindungslängen sehr kurz, was auf das low-spin Kobalt(III)-Ion zurückzuführen ist. Bei Komplex [Co(L-N4tBu2)(dbsq)](B(C6H4Cl)4) (14) handelt es sich hingegen um eine paramagnetische Kobalt(II)-Semichinonat-Verbindung. In der Kristallstruktur ist im kompletten Temperaturbereich das typische Bindungsschema eines Semichinonatliganden zu erkennen. Dagegen unterscheiden sich die Co-N- und die Co-O-Abstände bei den verschiedenen Messtemperaturen deutlich voneinander. Während die kürzeren Bindungs-längen bei T = 100 K eindeutig auf ein low-spin Kobalt(II)-Ion schließen lassen, legen die bei T = 400 K deutlich elongierten Bindungslängen einen beginnenden Spinübergang in den high-spin Zustand nahe. Dieser Befund wird durch die SQUID-Messung unterstützt, bei der im Temperaturintervall von 50 K bis 200 K konstante Werte für χMT bzw. für µeff gefunden werden, während die Werte für T > 200 K deutlich ansteigen und somit auf einen Spincrossover hinweisen.
Diese Arbeit beschäftigte sich mit der Modulation oxidativer Zellschäden bei Hämodialysepatienten durch Pro- und Antioxidantien. Im ersten Teil wurden die prooxidativen Auswirkungen der drei zur intravenösen Applikation bestimmten Eisenmedikamente Ferrlecit® (Glukonat) [ältestes Medikament], Venofer® (Saccharat), CosmoFer® (Dextran) in vitro sowie die Modulation des oxidativen Stress durch eine Ferrlecit®-Gabe bei HD-Patienten bestimmt. Die Bestimmungen der DNA-Schäden mittels Comet Assay und des LPO-Produkts Malondialdehyd mittels HPLC/Fluoreszenzdetektion zeigten in vitro bei U937-Zellen, isolierten humanen Lymphozyten und ex vivo bei humanem Vollblut ein im Vergleich zu Ferrlecit® und Venofer® deutlich geringeres Schädigungspotential von CosmoFer®. Der Dextran-Komplex (höchste Komplexstabilität) scheint gegenüber den Glukonat- und Saccharat-Komplexen verträglicher zu sein und sollte in Zukunft bevorzugt bei der Anämie-Behandlung eingesetzt werden. Die Ergebnisse der Untersuchungen des oxidativen Stress bei mit Ferrlecit® behandelten HD-Patienten zeigen deutliche Anstiege bei den DNA-Schäden und der LPO zu allen Messzeitpunkten nach Ende der Eisengabe und somit auch die Relevanz der erhaltenen in vitro Daten für die Belastungssituation in vivo. Die Abstufungen im Schädigungspotential, die bei den in vitro Tests erhalten wurden, decken sich auch mit den Untersuchungen von Pai et al. bei HD-Patienten, bei denen sich für das Ausmaß der Schädigung die Rangfolge Fe-Glukonat > Fe-Saccharat > Fe-Dextran ergab [Pai et al., 2007]. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde das antioxidative Potenzial eines roten Mehrfruchtsaftes mit hohem Anthocyan-/Polyphenolanteil in einer humanen Interventionsstudie mit Biomarkern der oxidativen Zellschädigung, des oxidativen Status der Zelle und der Zellantwort charakterisiert. Ergänzend wurden Untersuchungen zur antioxidativen Kapazität vergleichbarer Fruchtsäfte durchgeführt. 21 HD-Patienten nahmen nach einer dreiwöchigen Run-in-Phase über vier Wochen täglich 200 mL eines anthocyanreichen Mischfruchtsaftes (TEAC 31,1 mmol/L Trolox) auf. Anschließend folgte eine dreiwöchige Wash-out-Phase ohne Saftaufnahme. Wöchentlich wurde Blut entnommen und zur Bestimmung der Biomarker (oxidative) DNA-Schädigung, Malondialdehyd (LPO-Produkt), Proteinoxidation (Carbonyle) Glutathionspiegel/-status, DNA-Bindungsaktivität des Transkriptionsfaktors Nuclear Factor kappa B und antioxidative Kapazität (TEAC) sowie zur Erfassung der Harnsäure-, Triglycerid- und Anthocyankonzentrationen verwendet. Die Ergebnisse zeigten eine signifikante Abnahme der oxidativen DNA-Schäden (p< 0,0001), der MDA-Konzentration (p< 0,001) und des Carbonylgehaltes (p< 0,0001), eine Zunahme des tGSH-Spiegels und des Glutathionstatus (je p< 0,0001), ein Rückgang des GSSG-Spiegels (p< 0,0001) und der DNA-Bindungsaktivität von Nuclear Factor kappa B (p< 0,0001) während der 4-wöchigen Saftaufnahme im Vergleich zur 3-wöchigen Run-in-Phase. Ein leicht signifikanter Rückgang ergab sich für den Harnsäuregehalt (p< 0,05), der TEAC und die Triglyceridkonzentrationen dagegen wurde nicht beeinflusst. In der Wash-out-Phase zeigte sich, dass manche Messwerte direkt nach Ende der Saftaufnahme (GSSG, p< 0,0001; Proteincarbonyle, p< 0,0001) oder mit einer Woche Verspätung (DNA-Gesamtschäden, p< 0,0001) wieder anstiegen bzw. absanken (Glutathionspiegel/status, jeweils p< 0,0001), was für eine kurzzeitige Wirkung (< 1 Woche) spricht. Beim Malondialdehyd-Gehalt und der DNA-Bindungsaktivität von Nuclear Factor kappa B handelt es sich offensichtlich um eine längerfristig anhaltende protektive Wirkung, die Werte verändern sich im Vergleich zur Saftafnahme-Phase nur unwesentlich. Für die beobachteten protektiven Effekte scheinen die phenolischen Substanzen des Mehrfruchtsaftes verantwortlich zu sein, da in einer Studie mit fast polyphenolfreiem Vergleichssaft keine Reduktion von oxidativen Schäden nachgewiesen werden konnte [Weisel et al., 2006]. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit das antioxidative Potential eines flavonoid/polyphenolreichen roten Mischfruchtsafts zur Verringerung oxidativer Zellschädigung bei Hämodialysepatienten eindeutig nachgewiesen werden. Der Konsum von antioxidativ wirksamen Fruchtsäften ist ein vielversprechender Präventions- und Therapieansatz für Patienten, die an Niereninsuffizienz und ROS-assoziierten Krankheiten leiden. Die Aufnahme natürlicher Antioxidantien mit der Nahrung über solche Säfte scheint eine Alternative zur chronischen Anwendung von hochdosierten Supplementen zu sein.
Die sterischen Eigenschaften des makrozyklischen Liganden L-N4tBu2 verhindern in der Reaktion des Komplexes [Fe(L-N4tBu2)(O2CPh)(EtOH)](BPh4) (1) mit molekularem Sauerstoff die Bildung einer µ-Oxo-verbrückten Dieisen(III)-Spezies. Stattdessen entsteht in der Reaktion mit Sauerstoff in wässrigen Lösungsmitteln zunächst der Eisen(III)-Komplex [Fe(L-N4tBu2)(O2CPh)(OH)](BPh4) (3). Dieser Komplex reagiert ebenfalls mit Sauerstoff. Es bildet sich in Acetonitril eine intensiv violett gefärbte Spezies mit einer starken Absorptionsbande im UV/Vis-Spektrum bei 560 nm. Leider ist es nicht gelungen, diese chromophore Verbindung zu isolieren. Allerdings gibt es Hinweise darauf, dass es sich bei dieser Verbindung um einen Eisen(III)-Phenolat-Komplex handelt. Es konnte gezeigt werden, dass der Komplex 3 mit elektronenarmen Phenolen stabile Eisen(III)-Phenolat-Komplexe bildet. Für den Fall des unsubstituierten Phenols ist es gelungen den Komplex [Fe(L-N4tBu2)(O2CPh)(OPh)](BPh4) (4) zu isolieren. Mit elektronenreichen Phenolen sind die sich bildenden Eisen(III)-Phenolat∙Komplexe nicht stabil. Es spalten sich Phenoxylradikale ab, die zu bekannten Kopplungsprodukten weiter reagieren. Am Eisenzentrum kommt es währenddessen zu einer Reduktion von Eisen(III) zu Eisen(II) und es entsteht ein Eisen(II)-Benzoat-Komplex. So konnte gezeigt werden, dass der Eisen(III)-Hydroxo-Komplex 3a die aktive Spezies in der katalytischen Umsetzung von elektronenreichen Phenolen mit dem Komplex [Fe(L-N4tBu2)(O2CPh)(EtOH)](BPh4) (1) und Sauerstoff darstellt. Neben den Phenolen gelang es auch eine ganze Reihe von p-Hydrobenzochinonen erfolgreich zu oxidieren. Es ist zwar nicht gelungen durch die Verwendung von [Fe(L-N4tBu2)(O2CPh)(EtOH)](BPh4) (1) als Katalysator für Oxidation des 2-Hydroxy-5-tert.-butyl-p-hydrobenzochinon zum 2-Hydroxy-5-tert.-butyl-p-benzochinon eine Erhöhung der Ausbeute oder der Reaktionsgeschwindigkeit im Rahmen des von Klinman vorgestellten Modellsystem für die Reaktion von Topachinon- abhängigen Aminoxidasen zu erzielen, aber es konnte gezeigt werden, dass durch den Einsatz von 1 auch andere Chinone in der Lage sind Benzylamin zu Benzaldehyd zu oxidieren. Hier hilft der Komplex 1 die Regeneration des Chinons durch Sauerstoff zu beschleunigen. Somit stehen weitere Modellsysteme für die Chinon-abhängigen Aminoxidasen zur Verfügung. Mit der Synthese der beiden Komplexe [Fe(L-N4Me2)(BF)(MeOH)](BPh4) (8) und [Fe(L-N4tBu2)(BF)](BPh4) (5) gelang die Herstellung und Charakterisierung zweier Eisen(II)-α-Ketocarboxylat-Komplexe mit dem Makrozyklus L-N4R2. Die Reaktion der beiden Komplexe mit molekularem Sauerstoff hat gezeigt, dass das Einführen von sperrigeren Substituenten an den Aminstickstoffen des Makrozyklus dazuführt, das im Komplex 5 die Ausbildung einer µ-Oxo-verbrückten Spezies unterbleibt, wie sie für den Komplex 8 beobachtet wird. Ein weiterer Unterschied liegt darin, dass für den Komplex 8 nach der Bildung einer µ-Oxo-Brücke in den resultierenden Verbindungen 10a und 11a keine Decarboxylierung des Benzoylformiat-Liganden beobachtet werden kann. Im Gegensatz dazu können für den Komplex 5 zwei unterschiedliche Mechanismen einer oxidativen Decarboxylierung beobachtet werden. Einmal vermittelt durch einen Elektronentransfer zwischen zwei Eisen(III)-Zentren und zum anderen durch molekularen Sauerstoff vermittelt. Für den Komplex 5 konnte eine stöchiometrische wie auch katalytische Oxidation von Phenolen beobachtet werden. Allerdings war es nicht möglich den Mechanismus dieser Reaktion eindeutig zu bestimmen. Mit großer Wahrscheinlichkeit ist die aktive Spezies in Analogie zur Reaktionsweise des Komplexes 1 eine Eisen(III)-Hydroxo-Verbindung. Bedingt durch die beobachtete oxidative Decarboxylierung mit Hilfe von molekularem Sauerstoff kann allerdings auch der Weg über eine Eisen(IV)-Spezies nicht völlig ausgeschlossen werden.