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Fonte: Deepika Das, Tamara M. Powers, Dipartimento di Chimica, Texas A & M University
La chimica bioinorganica è il campo di studio che indaga il ruolo che i metalli svolgono in biologia. Circa la metà di tutte le proteine contiene metalli e si stima che fino a un terzo di tutte le proteine si basi su siti attivi contenenti metalli per funzionare. Le proteine che presentano metalli, chiamate metalloproteine, svolgono un ruolo vitale in una varietà di funzioni cellulari necessarie per la vita. Le metalloproteine hanno incuriosito e ispirato i chimici inorganici sintetici per decenni e molti gruppi di ricerca hanno dedicato i loro programmi alla modellazione della chimica dei siti attivi contenenti metalli nelle proteine attraverso lo studio dei composti di coordinazione.
Il trasporto di O2 è un processo vitale per gli organismi viventi. O2-metalloproteine di trasporto sono responsabili del legame, del trasporto e del rilascio di ossigeno, che può quindi essere utilizzato per processi vitali come la respirazione. Il complesso di coordinazione del cobalto che trasporta ossigeno, [N,N'-bis (salicilaldeide) etilendiaimino] cobalto (II) [Co (salen)]2 è stato ampiamente studiato per comprendere come i complessi metallici legano reversibilmente O2. 1
In questo esperimento, sintetizzaremo [Co(salen)]2 e studieremo la sua reazione reversibile con O2 in presenza di dimetilsolfossido (DMSO). In primo luogo, quantificheremo la quantità di O2 consumata all'esposizione di [Co(salen)]2 a DMSO. Osserveremo quindi visivamente il rilascio di O2 dall'addotto [Co(salen)]2-O2 esponendo il solido a CHCl3.
1. Sintesi di Inattivo [Co(salen)]2
2. Configurazione dell'apparecchio per l'assorbimento di O2 (Figura 5)1
Nota: è molto importante che il sistema non perda. Una perdita nel sistema porterà a un rapporto Co:O2 inferiore al previsto.
Figura 5. Configurazione dell'apparato di assorbimento O2.
3. O2 Reazione di assorbimento
4. O2 Liberazione da [Co(salen)]2 - O2 Addotto
[N,N'-Bis(salicylaldehyde)ethylenediimino]cobalt(II), abbreviato [Co(salen)]2, è un complesso organometallico, che viene utilizzato per studiare le metalloproteine che trasportano ossigeno.
Le metalloproteine come l'emoglobina possono legare reversibilmente O2 e per comprendere questo meccanismo, vengono studiati complessi come [Co(salen)]2.
[Co(salen)] 2 esiste in due forme: attivo e inattivo. La forma attiva è costituita da un eterodimero, in cui due centri di cobalto formano un'interazione di van-der-Waals molto debole, fornendo spazio sufficiente per l'inserimento di O2 molecolare nello stato solido.
Nella forma inattiva di [Co(salen)]2 i centri di cobalto di ogni molecola formano un legame dativo con un atomo di ossigeno su un'altra molecola. Ciò riduce lo spazio tra le unità e l'O2 molecolare non può più adattarsi, a meno che non venga utilizzato un solvente di coordinamento, come il DMSO, che facilita la stabilità dell'addotto.
Questo video illustrerà i principi di [Co(salen)]2, la sintesi della sua forma inattiva e l'analisi del legame reversibile all'O2molecolare.
L'O2 molecolare può coordinarsi con i complessi di metalli di transizione in diversi modi: ponte laterale, ponte laterale, ponte end-on e ponte finale. Nell'inattivo [Co(salen)]2, O2 si coordina ai due centri di cobalto in modo ponte finale e il DMSO coordinato completa la sfera di coordinazione ottaedrica di ciascun centro di cobalto generando un complesso 2: 1, che può essere spiegato esaminando il diagramma orbitale molecolare di O2 e il diagramma di scissione orbitale d-di [Co(salen)]2.
L'ossigeno ha due elettroni spaiati nell'orbitale molecolare π*, a significare uno stato base tripletto, mentre [Co(salen)]2 ha un elettrone spaiato nel suo orbitale molecolare σ*.
Il legame di O2 a [Co(salen)] 2 è unareazione redox, in cui due centri di cobalto perdono un elettrone ciascuno, e la molecola O2 guadagna due elettroni, formando un perossido (O22-).
Il rapporto di Co:O2 in una reazione può essere determinato misurando il volume di O2 consumato in un sistema chiuso. Usando la legge del gas ideale, è possibile calcolare le moli di O2 consumato.
Inoltre, la reversibilità del legame O2 può essere studiata mediante l'aggiunta di CHCl3 al prodotto. CHCl3 è un solvente non coordinante, che non può stabilizzare l'addotto O2. Pertanto, l'aggiunta di CHCl3 all'addotto [Co(salen)]2-O2 porta ad una diminuzione della concentrazione di DMSO e spinge la reazione nella direzione opposta, con conseguente liberazione di O2.
Ora che abbiamo discusso i principi di [Co(salen)]2, diamo un'occhiata a una procedura per la sintesi della sua forma inattiva e il suo uso nel consumo di O2molecolare .
In una cappa aspirante, caricare un pallone a tre colli da 250 ml bloccato con una barra di agitazione, etanolo al 95% e salicilaldeide. Fissare un condensatore al collo centrale e un imbuto aggiuntivo dotato di un setto sui colli esterni.
Montare il terzo collo del pallone a 3 colli con un setto e attaccare una linea N2 al condensatore. In un'atmosfera N2, mescolare la reazione a bagnomaria a 80 °C e aggiungere etilene diammina mediante siringa.
In un matraccio a fondo tondo separato da 50 mL contenente una barra di agitazione, aggiungere Co(OAc)2·4H2O e sciogliere in 15 mL di acqua distillata.
Una volta completamente sciolto, trasferire la soluzione di acetato di cobalto nell'imbuto di aggiunta e degassare facendo gorgogliare N2 attraverso di esso per 10 minuti.
Quando il degasaggio è completo, aggiungere lentamente la soluzione di acetato di cobalto alla miscela di salicilaldeide mescolata vigorosamente. Quindi mescolare a reflusso per 1 ora.
Al termine, rimuovere il pallone dal bagno di riscaldamento e rimuovere il condensatore e l'imbuto di aggiunta. Quindi immergere il pallone in un bagno di acqua ghiacciata per facilitare la precipitazione di [Co(salen)]2.
Filtrare sottovuoto il precipitato su un imbuto Buchner con carta da filtro e lavare il solido rosso con etanolo freddo. Asciugare completamente il solido, pesarlo e calcolare la resa percentuale.
Collegare un ago a una bombola di gas O2con tubo Tygon. Quindi bollare delicatamente Oda 2 a 5 ml di DMSO per 10 minuti.
Collegare due sezioni da 18 pollici di tubi Tygon a entrambe le estremità di una pipetta di vetro graduata da 10 ml. Bloccare la pipetta a un supporto ad anello con la graduazione più bassa rivolta verso l'alto. Quindi, attaccare un imbuto di vetro a gambo lungo al pezzo di tubo inferiore e bloccare l'imbuto al supporto dell'anello con l'imbuto rivolto verso l'alto.
Assicurarsi che il tubo che collega la pipetta e l'imbuto formi una forma a U. Aggiungere olio minerale all'imbuto e al tubo, fino a quando l'imbuto è circa mezzo pieno.
Fissare una provetta a braccio laterale al tubo sulla parte superiore della pipetta e aggiungere [Co(salen)]2 ad essa.
Trasferire 2 mL di DMSO saturo di O2in una provetta da 3 mL e, utilizzando una coppia di pinzette, la provetta B inferiore nella provetta A senza fuoriuscite.
Sigillare la provetta A con un setto di gomma stretto con filo di rame. Inserire un ago attaccato al serbatoio O2 nel setto e spurgare per 10 minuti. Quindi rimuovere l'ago e ungere la parte superiore del setto per evitare perdite.
Inserire un ago libero nel setto della provetta A per consentire all'olio minerale di raggiungere la pipetta di vetro, coprendo l'apertura con un dito e rilasciando lentamente la pressione. Quindi rimuovere l'ago e ricoprire la parte superiore del setto con grasso.
Regolare le altezze dell'imbuto e della pipetta in modo che i livelli dell'olio si allineino in entrambi i pezzi di vetro e registrare il livello di olio all'interno della pipetta.
Rilasciare il DMSO dalla provetta B inclinando il braccio laterale della provetta A verso il soffitto. Una volta aggiunto tutto il DMSO, tenere la provetta in posizione verticale e ruotarla delicatamente.
Continuare a scuotere le provette fino a quando il livello dell'olio nella pipetta smette di salire, il che significa che O2 non viene più consumato. Quindi, regolare l'altezza dell'imbuto in modo che il livello dell'olio in esso sia allineato con il livello dell'olio nella pipetta. Registrare il nuovo livello di olio nella pipetta e la temperatura della stanza.
Rimuovere il setto dalla provetta A e trasferire il contenuto in una provetta da 15 mL di centrifuga. Posizionare il tubo in una centrifuga in una posizione opposta a un tubo che trasporta una quantità equivalente di acqua.
Centrifugare i campioni per almeno 15 minuti, quindi rimuovere delicatamente il tubo contenente il [Co(salen)]2 pellet. Decantare accuratamente il liquido senza disturbare il pellet.
Tenere il tubo della centrifuga contenente il pellet con un angolo di 45º e, utilizzando una siringa, gocciolare lentamente 1 mL di CHCl3 lungo il lato del tubo. Osservare eventuali cambiamenti fisici che si verificano.
Ora valutiamo i risultati. La resa del sintetizzato inattivo [Co(salen)]2 è di 2,4 g, che è dell'85%. Lo spettro IR mostra un picco a 1528 cm-1, che è indicativo del tratto CN. Inoltre, l'assenza di un allungamento O-H indica che non è presente alcun ligando libero.
59,2 mg di [Co(salen)]2, che è pari a 0,090 mmol, consumato 2 mL di O2. Utilizzando la legge del gas ideale, la pressione standard e la temperatura registrata, il numero di moli di 2 mL O2 è stato determinato a 0,082 mmol. Infine, è stato determinato il numero di mmol di Co in [Co(salen)]2 e diviso per il numero di mmol di O2 per ottenere il rapporto di Co:O2, che è 2: 0,91.
La reversibilità del legame con O2 è stata dimostrata utilizzando CHCl3, dove con l'aggiunta del solvente la concentrazione di DMSO è diminuita e l'equilibrio di reazione si è spostato sui reagenti, con conseguente rilascio di O2, come è stato osservato nel gorgogliamento della reazione e nel cambiamento di colore in rosso.
I complessi di coordinazione possono essere utilizzati nel campo della chimica e della chimica bioinorganica per studiare varie metalloproteine.
Ad esempio, l'emoglobina metalloproteina è composta da quattro sotto unità proteiche globulari con il gruppo eme incorporato in ciascuna, rendendo difficile lo studio del sito attivo della proteina. I chimici inorganici sintetici usano specie molecolari, come [Co(salen)]2, per modellare siti attivi nelle metalloproteine, tuttavia, la replicazione della struttura e della reattività è spesso difficile, a causa delle differenze distinte nelle strutture elettroniche tra semplici composti di coordinazione e sovrastrutture proteiche circondate da metallo.
L'epicloridrina è un reagente chimico costituito da un epossido e un cloruro alchilico. Viene utilizzato nella produzione di resine epossidiche e altri elastomeri. Tuttavia, nonostante la sua versatilità, è difficile produrre epicloridrina enantiopura.
Per separare le miscele racemiche di epicloridrina, è possibile utilizzare complessi di salen chirali. Ad esempio, in una risoluzione cinetica idrolitica degli epossidi, l'epicloridrina racemica viene trattata con un ligando salenico chirale supportato da polistirene in presenza di acqua, che porta all'idrolisi di uno degli enantiomeri. L'enantiomero può essere separato e il catalizzatore supportato dal polimero può essere filtrato dalla miscela di reazione e riutilizzato.
Hai appena visto l'introduzione di JoVE a [Co(salen)]2. Ora dovresti capire i suoi principi, la procedura e alcune delle sue applicazioni. Grazie per l'attenzione!
Il cobalto(II), abbreviato in [Co(salen)]2, è un complesso organometallico che viene utilizzato per studiare le metalloproteine che trasportano ossigeno.
Metalloproteine come l'emoglobina possono legare in modo reversibile l'O2 e per comprendere questo meccanismo, vengono studiati complessi come [Co(salen)]2.
[Co(salen)]2 esiste in due forme: attiva e inattiva. La forma attiva è costituita da un eterodimero, in cui due centri di cobalto formano un'interazione di van der Waals molto debole, fornendo spazio sufficiente per l'inserimento di O2 molecolare allo stato solido.
Nella forma inattiva di [Co(salen)]2 i centri di cobalto di ciascuna molecola formano un legame dativo con un atomo di ossigeno su un'altra molecola. Ciò riduce lo spazio tra le unità e l'O2 molecolare non può più entrare, a meno che non venga utilizzato un solvente coordinante, come il DMSO, che facilita la stabilità dell'addotto.
Questo video illustrerà i principi del [Co(salen)]2, la sintesi della sua forma inattiva e l'analisi del legame reversibile con l'O2 molecolare.
L'O2 molecolare può coordinarsi con i complessi metallici di transizione in diversi modi: side-on, side-on bridging, end-on e end-on bridging. Nell'inattivo [Co(salen)]2, l'O2 si coordina ai due centri di cobalto in modo end-on bridging e il DMSO coordinante completa la sfera di coordinazione ottaedrica di ciascun centro di cobalto generando un complesso 2:1, che può essere spiegato esaminando il diagramma degli orbitali molecolari di O2 e il diagramma di scissione dell'orbitale d di [Co(salen)]2.
L'ossigeno ha due elettroni spaiati nell'orbitale molecolare ?*, che significa uno stato fondamentale di tripletto, mentre [Co(salen)]2 ha un elettrone spaiato nel suo orbitale molecolare ?*.
Il legame di O2 a [Co(salen)]2 è una reazione redox, in cui due centri di cobalto perdono un elettrone ciascuno, e la molecola di O2 guadagna due elettroni, formando un perossido (O22-).
Il rapporto di Co:O2 in una reazione può essere determinato misurando il volume di O2 consumato in un sistema chiuso. Utilizzando la legge dei gas ideali, è possibile calcolare le moli di O2 consumato.
Inoltre, la reversibilità del legame con l'O2 può essere studiata mediante l'aggiunta di CHCl3 al prodotto. CHCl3 è un solvente non coordinante, che non può stabilizzare l'addotto di O2. Pertanto, l'aggiunta di CHCl3 all'addotto [Co(salen)]2-O2?, porta ad una diminuzione della concentrazione di DMSO e spinge la reazione nella direzione opposta, con conseguente liberazione di O2.
Ora che abbiamo discusso i principi di [Co(salen)]2, diamo un'occhiata a una procedura per la sintesi della sua forma inattiva e al suo uso nel consumo di O2 molecolare.
In una cappa aspirante, caricare un pallone a tre colli da 250 ml clamped con una barra di agitazione, etanolo al 95% e salicilaldeide. Collegare un condensatore al collo centrale e un imbuto di aggiunta dotato di un setto su uno dei colli esterni.
Montare il terzo collo del pallone a 3 colli con un setto e collegare una linea N2 al condensatore. In un'atmosfera di N2, agitare la reazione in un bagno d'acqua a 80 ? C e aggiungere l'etilene diammina con la siringa.
In un pallone separato da 50 ml a fondo rotondo contenente una barra di agitazione, aggiungere Co(OAc)2?4H2O e sciogliere in 15 ml di acqua distillata.
Una volta completamente sciolta, trasferire la soluzione di acetato di cobalto nell'imbuto di aggiunta e degassare facendo gorgogliare N2 attraverso di essa per 10 minuti.
Al termine del degasaggio, aggiungere lentamente la soluzione di acetato di cobalto alla miscela di salicilaldeide agitata energicamente. Quindi mescolare a reflusso per 1 ora.
Al termine, rimuovere il pallone dal bagno di riscaldamento e rimuovere il condensatore e l'imbuto di aggiunta. Quindi immergere il pallone in un bagno di acqua ghiacciata per facilitare la precipitazione di [Co(salen)]2.
Filtrare sottovuoto il precipitato su un imbuto Buchner con carta da filtro e lavare il solido rosso con etanolo freddo. Asciugare completamente il solido, pesarlo e calcolare la resa percentuale.
Collegare un ago a una bombola di gas O2 con un tubo Tygon. Quindi far bollire delicatamente l'O2 attraverso 5 ml di DMSO per 10 minuti.
Collegare due sezioni da 18 pollici di tubo Tygon a ciascuna estremità di una pipetta di vetro graduata da 10 ml. Fissare la pipetta a un supporto ad anello con la graduazione più bassa rivolta verso l'alto. Quindi, collegare un imbuto di vetro a stelo lungo al pezzo di tubo inferiore e fissare l'imbuto al supporto dell'anello con l'imbuto rivolto verso l'alto.
Assicurarsi che il tubo che collega la pipetta e l'imbuto formi una forma a U. Aggiungere l'olio minerale all'imbuto e al tubo, fino a quando l'imbuto non è riempito a metà.
Collegare una provetta con braccio laterale al tubo sulla parte superiore della pipetta e aggiungere [Co(salen)]2.
Trasferire 2 mL di DMSO saturo di O2 in una provetta da 3 mL e, utilizzando un paio di pinzette, abbassare la provetta B nella provetta A senza fuoriuscire.
Sigillare la provetta A con un setto di gomma serrato con filo di rame. Inserire un ago attaccato al serbatoio di O2 nel setto e spurgare per 10 minuti. Quindi rimuovere l'ago e ungere la parte superiore del setto per evitare perdite.
Inserire un ago libero nel setto della provetta A per consentire all'olio minerale di raggiungere la pipetta di vetro, coprendo l'apertura con un dito e rilasciando lentamente la pressione. Quindi rimuovere l'ago e coprire nuovamente la parte superiore del setto con grasso.
Regolare l'altezza dell'imbuto e della pipetta in modo che i livelli dell'olio siano allineati in entrambi i pezzi di vetreria e registrare il livello dell'olio all'interno della pipetta.
Rilasciare il DMSO dalla provetta B inclinando il braccio laterale della provetta A verso il soffitto. Una volta aggiunto tutto il DMSO, tenere la provetta in posizione verticale e farla roteare delicatamente.
Continuare ad agitare le provette fino a quando il livello dell'olio nella pipetta non smette di salire, il che significa che l'O2 non viene più consumato. Quindi, regolare l'altezza dell'imbuto in modo che il livello dell'olio al suo interno sia allineato con il livello dell'olio nella pipetta. Registrare il nuovo livello di olio nella pipetta e la temperatura della stanza.
Rimuovere il setto dalla provetta A e trasferire il contenuto in una provetta da centrifuga da 15 ml. Posizionare il tubo in una centrifuga in una posizione opposta a un tubo che trasporta una quantità equivalente di acqua.
Centrifugare i campioni per almeno 15 minuti, quindi rimuovere delicatamente la provetta contenente il pellet [Co(salen)]2. Decantare accuratamente il liquido senza disturbare il pellet.
Tenere la provetta da centrifuga contenente il pellet a 45? e utilizzando una siringa, far gocciolare lentamente 1 mL di CHCl3 lungo il lato della provetta. Osserva eventuali cambiamenti fisici che si verificano.
Ora valutiamo i risultati. La resa dell'inattivo sintetizzato [Co(salen)]2 è di 2,4 g, pari all'85%. Lo spettro IR mostra un picco a 1528 cm-1, che è indicativo dell'allungamento CN. Inoltre, l'assenza di un tratto O-H indica che non è presente alcun ligando libero.
59,2 mg di [Co(salen)]2, che equivale a 0,090?mmol, hanno consumato 2 mL di O2. Utilizzando la legge dei gas ideali, la pressione standard e la temperatura registrate, il numero di moli di 2 mL di O2 è stato determinato essere 0,082 mmol. Infine, è stato determinato il numero di mmol di Co in [Co(salen)]2 e diviso per il numero di mmol di O2 per ottenere il rapporto di Co:O2, che è 2:0,91.
La reversibilità del legame con l'O2 è stata dimostrata utilizzando CHCl3, dove dopo l'aggiunta del solvente la concentrazione di DMSO diminuiva e l'equilibrio di reazione si spostava verso i reagenti, con conseguente rilascio di O2, come è stato osservato nel gorgogliamento della reazione e nel cambiamento di colore verso il rosso.
I complessi di coordinazione possono essere utilizzati nel campo della chimica e della chimica bioinorganica per studiare varie metalloproteine.
Ad esempio, l'emoglobina della metalloproteina è composta da quattro subunità proteiche globulari con il gruppo eme incorporato in ciascuna, rendendo difficile lo studio del sito attivo della proteina. I chimici inorganici sintetici utilizzano specie molecolari, come [Co(salen)]2, per modellare i siti attivi nelle metalloproteine, tuttavia, la replicazione della struttura e della reattività è spesso difficile, a causa delle differenze distinte nelle strutture elettroniche tra composti di coordinazione semplici e sovrastrutture proteiche circondate da metalli.
L'epicloridrina è un reagente chimico costituito da un epossido e un alchil cloruro. Viene utilizzato nella produzione di resine epossidiche e altri elastomeri. Tuttavia, nonostante la sua versatilità, è difficile produrre epicloridrina enantiopura.
Per separare le miscele racemiche di epicloridrina, possono essere utilizzati complessi di salene chirali. Ad esempio, in una risoluzione cinetica idrolitica di epossidi, l'epicloridrina racemica viene trattata con un legante salenico chirale supportato da polistirene in presenza di acqua, che porta all'idrolisi di uno degli enantiomeri. L'enantiomero può essere separato e il catalizzatore supportato dal polimero può essere filtrato dalla miscela di reazione e riutilizzato.
Hai appena visto l'introduzione di JoVE a [Co(salen)]2. A questo punto è necessario comprenderne i principi, la procedura e alcune applicazioni. Grazie per l'attenzione!
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