Síntesis de un complejo de cobalto (II) transporte de oxígeno

Inorganic Chemistry

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Overview

Fuente: Deepika Das, Tamara M. Powers, Departamento de química, Texas A & M University

Química de Bioinorganic es el campo de estudio que investiga el papel que juegan los metales en la biología. Aproximadamente la mitad de todas las proteínas contienen metales y se estima que hasta un tercio de todas las proteínas dependen de metal-que contienen sitios activos para funcionar. Proteínas que presentan los metales, llamados metaloproteinas, juegan un papel vital en una variedad de funciones de las células que son necesarias para la vida. Metaloproteinas han intrigado e inspirado a químicos inorgánicos sintéticos durante décadas, y muchos grupos de investigación han dedicado sus programas para modelado de la química del metal que contienen sitios activos en proteínas a través del estudio de compuestos de coordinación.

El transporte de O2 es un proceso vital para los organismos vivos. O2-metaloproteinas de transporte son responsables de enlace, transporte, y liberando oxígeno, que puede utilizarse para procesos vitales como la respiración. El complejo de coordinación de cobalto de transportadora de oxígeno, [N,N'-bis(salicylaldehyde)ethylenediimino]cobalt(II) [Co(salen)]2 se ha estudiado extensivamente para entender sobre cómo metales complejos unen reversiblemente O2 . 1

En este experimento, vamos a sintetizar [Co(salen)]2 y estudiar su reacción reversible con O2 en presencia de dimetilsulfóxido (DMSO). En primer lugar, a cuantificar la cantidad de O2 consumido con la exposición de [Co(salen)]2 al DMSO. Luego visualmente observamos la liberación de O2 de la [Co(salen)]2- O2 aducción exponiendo el sólido CHCl3.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Química inorgánica. Síntesis de un complejo de cobalto (II) transporte de oxígeno. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

Hay dos organismos polimorfos sólidos de [Co(salen)]2 (activos e inactivos), que puede ser aislado de las condiciones de reacción diferentes. Activos e inactivos [Co(salen)]2 varían en su color (marrón y rojo, respectivamente), estructura y reactividad. Ambos polimorfos consisten en unidades dimérica. En el caso de activos [Co(salen)]2, los centros de cooperación en cada uno de los dos Co(salen)2 moléculas están en proximidad cercana, formando un muy débil van der Waals interacción entre el metal centros (figura 1). Mientras que la forma activa exhiben una débil interacción Co-Co, la separación entre las unidades dimérica proporciona espacio para el O2 reacciona con los centros de Co; como resultado, la forma activa de [Co(salen)]2 reacciona con O2 en el de estado sólido.

En la forma inactiva llamada de [Co(salen)]2, hay una interacción dativo entre el centro de Co de una molécula y un átomo de oxígeno de la otra (figura 1). Las dos Co(salen)2 unidades están más cercanos juntos en comparación con la forma activa y, en consecuencia, la forma inactiva es estable en el aire en el estado sólido y sólo reacciona con O2 en presencia de un disolvente coordinación (como el DMSO), que interrumpe la unidad dimérica y estabiliza la [Co(salen)]2- O2 aducción. Inactivas [Co(salen)]2 es más fácil de manejar y estudiar, ya que el sólido se puede aislar sin utilizar técnicas de aire libre. Por lo tanto, en este experimento se sintetizan inactivo [Co(salen)]2 y estudiar su reacción con el O2 en presencia de DMSO.

Hay varias maneras que puede coordinar O2, una molécula diatómica, a centros metálicos (figura 2). Final en enlace produce un enlace metal-oxígeno a uno de los átomos de oxígeno O2. De lado-en encuadernación, ambos átomos de oxígeno formar enlaces al centro metálico. En algunos casos, la unidad de2 O puentes dos complejos metálicos donde también se observan enlace extremo y lateral.

[Co(salen)]2 formas inactivas un cobalto de 2:1 O2 aducción en presencia del coordinación disolvente DMSO. Los centros O2 unidad puentes los dos cobalto de final en puente forma (figura 3) y moléculas de DMSO coordinadas completan la esfera de coordinación octaédrica de cada uno de los centros de Co. Si tenemos en cuenta el diagrama de MO de O2 y d-orbital partir diagrama para [Co(salen)]2, podemos entender porqué el 2:1 O2 aducción es favorecido (figura 4). O2 muestra un estado triplete con dos electrones no apareados en el π * MOS [Co(salen)]2 es paramagnético, con un electrón desapareado en su σ * dz2 MO (suponiendo cuadrada planar (Dh 4), Co 2 +, 7 de). La Unión de O2 a [Co(salen)]2 es una reacción redox, donde Co(salen) dos moléculas se oxidan por 1 e cada uno a un estado de oxidación final de + 3 en cobalto y la molécula de O2 se reduce en 2 e - ,dando por resultado la formación de peróxido de (O2-2). El aducto 1:1 no es favorecido en este caso porque Co(III) es d6 y, por lo tanto, no quiere renunciar a otro electrón (para una revisión sobre la teoría de MO /d-orbital partir, ver el video en teoría de grupos y teoría de la transición de MO Complejos metálicos).

En este video, determinaremos la proporción de2 Co:O con reacción de inactivo [Co(salen)]2 O2 en presencia de DMSO experimentalmente midiendo el volumen de O2 en un sistema cerrado. Podemos utilizar la ley de gas ideal (ecuación 1) para calcular el número de moles de O2 consumido.

PV = nRT (ecuación 1)
P = presión = 1 atm
V = volumen (L)
R = 0,082 L atm mol-1 K-1
T = temperatura (K)
n = moles

Luego estudiaremos la reversibilidad de la Unión de2 O al exponer la resultante sólido [Co(salen)]2- O2-(DMSO)2 cloroformo (CHCl3). Además de CHCl3 (aducción de un solvente no coordinar que no se puede estabilizar la [Co(salen)]2- O2 ) conduce a una disminución en la concentración de DMSO. Principio de le Châtelier puede explicar que a una disminución en la concentración de DMSO, el equilibrio que se muestra en la figura 3 se desplazará hacia los reactantes, lo que resulta en la liberación de gas de2 O.

Figure 1
Figura 1. Formas activas e inactivas de [Co(salen)]2.

Figure 2
Figura 2. Modos de coordinación de O2 al centro metálico, M.

Figure 3
Figura 3. Reacción reversible de O2 con [Co(salen)]2.

Figure 4
Figura 4. Diagrama de MO de O2 y d-orbital partir de diagrama de Co(salen) (derivado de teoría del grupo, asumiendo una geometría cuadrado planar).

Procedure

1. síntesis de inactivo [Co(salen)]2

  1. Un matraz de fondo redondo de 250 mL 3-cuello de carga con 120 mL de 95% EtOH y 2,20 g (0,192 mL, 0.018 mol) de salicylaldehyde.
  2. Ajuste el cuello de centro con un condensador conectado a N2. Colocar los otros dos cuellos con una membrana de goma y un embudo de adición con una membrana de goma.
  3. Remover la reacción en un baño de agua y calentar la solución al reflujo (80 ° C).
  4. Agregar diamina del etileno (0,52 g, 0,58 mL, mol 0.0087) vía jeringa a través del tabique de matraz de fondo redondo.
  5. En un matraz de fondo redondo de 50 mL, prepare una solución de Co(OAc)2·4H2O (2,17 g, mol 0.0087) en 15 mL de agua destilada. Calentar la solución en el mismo baño de agua que contiene el matraz de cuello de 3 para que todo el acetato de cobalto se disuelva.
  6. Añadir la solución de acetato de cobalto en el embudo de adición.
  7. Desgasificar la solución de acetato de cobalto por burbujas de N2 a través del líquido en el embudo de adición durante 10 minutos (ver vídeo de la "Síntesis de un Ti(III) metaloceno usando Schlenk Line técnica" para un procedimiento más detallado en purga de líquidos). El adaptador de2 condensador N deba ser cerrada para permitir que el N2 a burbujear a través de la solución de acetato de cobalto.
    Nota: Nunca caliente un sistema cerrado. Asegúrese de que el sistema de ventilación durante la desgasificación.
  8. Añadir lentamente la solución de acetato de cobalto (II) (~ 1 gota/s), agitando vigorosamente la mezcla de etanol. Sin agitación suficiente, formará un precipitado grueso que puede atascarse en la barra de agitación.
  9. Una vez agregado todo el acetato de cobalto, revuelva la reacción a reflujo durante 1 h.
  10. Apague la placa caliente y retire el matraz de fondo redondo 3-cuello del baño.
  11. Retire el embudo condensador y además del frasco. Sumergir el matraz en un baño de hielo para facilitar la precipitación de los [Co(salen)]2.
  12. Filtrar la solución bajo vacío para aislar el sólido y lavar el sólido resultante rojo con etanol frío.
  13. Aislar el sólido. Calcular el rendimiento de la reacción y recoger un IR de [Co(salen)]2. Asegúrese de que el [Co(salen)]2 esté seco antes de usarlo en la reacción de absorción de O2 .

2. aparato configuración para O2 absorción (figura 5)1

Nota: Es muy importante que el sistema no gotea. Una fuga en el sistema llevará a una menor de la esperada relación de Co:O2 .

  1. Conecte una aguja a un cilindro de gas O2 (ultra alta pureza) con tubería de Tygon. Suavemente de la burbuja O2 a 5 mL de DMSO para por lo menos 10 minutos.
  2. Mientras que el DMSO está siendo saturada con O2, coloque los dos extremos de una pipeta de vidrio graduada de 10 mL con (cada 1,5 pies de longitud) de la tubería de Tygon.
  3. Coloque un embudo de cristal en una de las piezas de la tubería de Tygon.
  4. Sujetar la pipeta de vidrio y el embudo en un soporte de anillo para que el embudo esté mirando hacia arriba y el tubo en forma de U ( figura 5).
  5. Llenar la pipeta y embudo con aceite mineral. Agregue el aceite a través del embudo, asegurándose de que el aceite también llena el tubo conectado a la pipeta. Continuar añadiendo el aceite hasta que el embudo se llena a medio camino encima del embudo. No deje que el aceite de acercarse demasiado a la parte superior del embudo, como el O2 que burbujea a través del embudo puede causar salpicaduras si el embudo es demasiado completo.
  6. En el extremo abierto del tubo, coloque un tubo de ensayo de brazo lateral (tubo prueba).
  7. Añadir 50 mg (0.077 mmol) de los inactivos [Co(salen)]2 al tubo de ensayo de brazo lateral un comunicado con la pipeta de cristal.
  8. Añadir 2 mL de DMSO saturada de O2 a un tubo de ensayo 3 mL (tubo de ensayo B).
  9. Utilice un par de pinzas para tubo de ensayo suavemente más bajo B en tubo de ensayo A, teniendo cuidado de no derramar alguna del DMSO. Es importante no exponer la [Co(salen)]2 el DMSO en este punto.
  10. Prueba de tubo con una membrana de goma del sello. Alambre el tabique para evitar fugas.
  11. Inserte la aguja conectada al tanque de gas de2 O en el tabique y purgar el sistema con O2 durante 10 minutos.
  12. Retire la aguja de2 O y la parte superior de la membrana de goma para evitar fugas de grasa.
  13. La presión dentro de la configuración deba ser lanzado para conseguir el aceite con la pipeta de cristal. Para hacer esto, inserte una aguja libre en la membrana de goma en el tubo de ensayo A. tapa la abertura con un dedo y suelte lentamente la presión dentro de la configuración. No se olvide de cubrir el agujero nuevo con grasa para evitar fugas.
  14. Mueva la pipeta de vidrio y embudo de manera que los niveles de aceite alinean en ambas piezas de la cristalería.
  15. Registrar el nivel de volumen del aceite dentro de la pipeta de cristal.

Figure 5
Figura 5. O instalación de aparatos de captación de2 .

3. reacción de absorción de2 O

  1. Agregue el DMSO al sólido [Co(salen)]2 inclinando suavemente los tubos de prueba, asegurándose de que ninguno de la solución entra en el brazo lateral del tubo de ensayo A.
  2. Una vez agregado todo el DMSO, sostenga la parte superior del tubo de ensayo y mezclar suavemente la solución agitando el tubo de ensayo hacia adelante y hacia atrás.
    Nota: No utilice un arriba y abajo sacudiendo movimiento. Golpeen demasiado violentamente los dos tubos de prueba puede conducir a la ruptura del tubo de ensayo A.
  3. Continúan sacuda suavemente los tubos de ensayo con la mano hasta el nivel de aceite en la pipeta de levantamiento (15-20 min.).
  4. Una vez que cesa el consumo de O2 , mueva la pipeta y el embudo para que el aceite sube de nivel línea.
  5. Anotar el nuevo nivel de volumen del aceite en la pipeta de cristal. La diferencia de volumen es el volumen de O2 consumido durante la reacción en la atmósfera (1 atm) presión.
  6. Registrar la temperatura de la habitación.

4. O2 liberación de [Co(salen)]2 - O2 aducción

  1. Transferir la solución de DMSO resultante del paso 3 para un tubo de centrífuga de 15 mL.
  2. Llenar un segundo tubo de ensayo con una cantidad equivalente de agua.
  3. Inserte los tubos de prueba frente a la unos a otros en una centrifugadora.
  4. Centrifugar la muestra durante al menos 15 minutos. La calidad del pellet sólido resultante mejora con el aumento de tiempo de la centrifugadora.
  5. Retire suavemente el tubo de ensayo con el [Co(salen)]2- O2 aducción muestra, para no perturbar el sedimento.
  6. Decantar con cuidado la solución de DMSO sobre el sedimento.
  7. Sostiene el tubo de centrífuga en un ángulo de 45 ° con el diábolo hacia arriba, lentamente agregar 1 mL de CHCl3 con una pipeta, permitiendo que la solución gotee abajo al lado del tubo de centrífuga.
Tenga mucho cuidado para no perturbar el sólido [Co(salen)]2- O2 aducción.
  • Observar los cambios físicos que se producen.
  • [N,N'-Bis(salicylaldehyde)ethylenediimino]cobalt(II), abreviado [Co(salen)]2, es un complejo organometálica, que se utiliza para investigar metaloproteinas de transporte de oxígeno.

    Metaloproteínas como hemoglobina pueden unir reversiblemente O2 y para entender este mecanismo, se estudian los complejos como [Co(salen)]2 .

    [Co(salen)] 2 existe en dos formas: activo e inactivo. La forma activa consiste en un heterodímero, en que dos cobalto centros forman una interacción muy débil de van-der-Waals, proporcionar suficiente espacio para inserción de molecular O2 en el de estado sólido.

    En la forma inactiva de [Co(salen)]2 el cobalto centros de cada forma de la molécula un enlace dativo con un átomo de oxígeno de otra molécula. Esto disminuye el espacio entre las unidades y molecular O2 no caben más, salvo que se utilice un disolvente coordinación, como el DMSO, que facilita la estabilidad de la aducción.

    Este video ilustra los principios de la [Co(salen)]2, la síntesis de su forma inactiva y el análisis de la Unión reversible a molecular O2.

    Molecular O2 puede coordinar al metal de la transición complejos de varias maneras: lado, lado puente, puente en la final y el final. En el inactivo [Co(salen)]2, O2 coordina a los dos centros de cobalto de una manera en extremo tiende un puente sobre y el DMSO coordinación completa la esfera de coordinación octaédrica de cada centro de cobalto generando un complejo 2:1 que puede ser explicado al examinar el diagrama de orbital molecular de O2 y el d -orbital división diagrama de [Co(salen)]2.

    Oxígeno tiene dos electrones no apareados en el π * orbital molecular, lo que significa un estado triplete, mientras que [Co(salen)]2 tiene un electrón desapareado en su orbital molecular σ *.

    La Unión de O2 a [Co(salen)]2 es una reacción redox, en el cual dos centros de cobalto pierden un electrón cada uno y los beneficios de la molécula de O2 dos electrones, formando un peróxido (O2-2).

    La relación de Co:O2 en una reacción puede determinarse midiendo el volumen de O2 consumido en un sistema cerrado. Usando la ley de gas ideal, se pueden calcular las moles consumidas O2 .

    Además, se puede estudiar la reversibilidad de la Unión de2 O por la adición de CHCl3 al producto. CHCl3 es un solvente no coordinación, que no se puede estabilizar O2 aducción. Por lo tanto, además de CHCl3 a la [Co(salen)]2- O2 aducción conduce a una disminución en la concentración de DMSO y empuja la reacción en sentido inverso, dando por resultado la liberación de O2.

    Ahora que hemos discutido los principios de la [Co(salen)]2, echemos un vistazo a un procedimiento para la síntesis de su forma inactiva y su uso en consumo O molecular2.

    En una campana de humos, cobrar una mufla con la 250 mL cuello de tres con una barra de agitación, el etanol al 95% y el salicylaldehyde. Coloque un condensador en el cuello de centro y un embudo de adición con un tabique en el cuello exterior.

    Coloque el tercer cuello del frasco con un septo 3-cuello y fije una línea de2 N en el condensador. Bajo una atmósfera de N2 , la reacción de un baño de agua a 80 ° C, añadir y diamina del etileno por jeringa.

    En un matraz de fondo redondo de 50 mL separadas que contiene una barra de agitación, agregue Co(OAc)2·4H2O y disolver en 15 mL de agua destilada.

    Una vez disuelto completamente, transferir la solución de acetato de cobalto en el embudo de adición y degas por los burbujeantes N2 a través de ella durante 10 minutos.

    Cuando termine de desgasificación, agregue lentamente la solución de acetato de cobalto a la mezcla vigorosamente agitada salicylaldehyde. Agitar en el reflujo durante 1 hora.

    Cuando haya terminado, retirar el matraz del baño calefacción y retire el embudo condensador y adición. Luego sumergir el matraz en un baño de agua helada para facilitar la precipitación de [Co(salen)]2.

    Aspiradora filtro el precipitado en un embudo Buchner con papel filtro y lavar el rojo sólido con etanol frío. Secar el sólido completamente, pesar y calcular que el porcentaje de rendimiento.

    Conectar una aguja con una O2-cilindro de gas con tubería de Tygon. Luego de la burbuja suavemente O2 a 5 mL DMSO durante 10 minutos.

    Conectar dos secciones de 18 pulgadas de la tubería de Tygon para cualquiera de los extremos de una pipeta de vidrio graduada de 10 mL. Sujetar la pipeta en un soporte de anillo con la graduación más baja hacia arriba. A continuación, coloque un embudo de vidrio tallo largo a la pieza inferior de la tubería y sujete el embudo en el soporte de anillo con el embudo mirando hacia arriba.

    Asegúrese de que el tubo de conexión de la pipeta y el embudo de forma de forma de U. Agregar aceite mineral para el embudo y el tubo, hasta que el embudo es aproximadamente lleno hasta la mitad.

    Conecte un tubo de ensayo de brazo lateral para el tubo en la parte superior de la pipeta y añadirle [Co(salen)]2 .

    Transferir 2 mL de O2-saturada en un tubo de ensayo 3 mL de DMSO y, usando un par de pinzas, baje probeta B prueba tubo sin derramar.

    Sello prueba tubo con una membrana de goma apretado con alambre de cobre. Inserte una aguja unida al tanque de2 O en el tabique y purgar durante 10 minutos. Luego retire la aguja y la parte superior del tabique para evitar pérdidas de grasa.

    Inserte una aguja libre en el tabique de la prueba de tubo para permitir que el aceite mineral llegar a la pipeta de cristal, cubriendo la abertura con un dedo y lentamente liberando la presión. Luego retire la aguja y vuelva a cubrir la parte superior del tabique con grasa.

    Ajuste la altura del embudo y pipeta para que los niveles de aceite se alinean en ambas piezas de la cristalería y registran el nivel de aceite dentro de la pipeta.

    Suelte el DMSO de tubo de ensayo B pesca el brazo lateral del tubo de prueba A hacia el techo. Una vez agregado todo el DMSO, sostenga el tubo de ensayo en posición vertical y agitar suavemente.

    Seguir a agitar los tubos de ensayo hasta el nivel de aceite en las paradas de la pipeta de levantamiento, que significa ya no se consume O2 . A continuación, ajuste la altura del embudo para que el nivel de aceite en el está alineado con el nivel de aceite en la pipeta. Registrar el nivel de aceite en la pipeta y la temperatura de la habitación.

    Retirar el tabique prueba tubo y transferir el contenido a un tubo de centrífuga de 15 mL.

    Coloque el tubo en una centrifugadora en una posición frente a un tubo con una cantidad equivalente de agua.

    Centrifugar las muestras durante al menos 15 minutos, luego retire suavemente el tubo que contiene la pastilla de2 [Co(salen)]. Decantar con cuidado el líquido sin perturbar el pellet.

    Mantenga el tubo de centrífuga que contiene el precipitado en un ángulo de 45 º, y utilizando una jeringa lentamente 1 mL de CHCl3 bajando por el lado del tubo de goteo. Observar los cambios físicos que se producen.

    Ahora vamos a evaluar los resultados. El rendimiento de la [Co(salen)] inactivo sintetizado2 2,4 g, que es 85%. El espectro IR muestra un pico en 1528 cm-1, que es indicativo del tramo de la CN. Además, la ausencia de un estiramiento O-H indica que no ligando libre está presente.

    59,2 mg de [Co(salen)]2, que es igual a 0.090 mmol, consume 2 mL de O2. Usando la ley del gas ideal, presión estándar y temperatura registradas, el número de moles de 2 mL O2 fue determinada para ser 0.082 mmol. Por último, el número de mmol de Co en [Co(salen)]2 fue determinado y dividido por la cantidad de mmol de O2 para obtener el cociente de Co:O2, 2:0.91.

    Reversibilidad de la Unión de2 O se demostró utilizando CHCl3, donde además del solvente disminuye la concentración de DMSO, y el equilibrio de reacción desplazado a los reactivos, dando por resultado la liberación de O2 , como se observó en propagación de la reacción y el cambio de color a rojo.

    Complejos de coordinación puede utilizarse en el campo de la química y química bioinorganic estudiar varias metaloproteinas.

    Por ejemplo, la hemoglobina metalloprotein se compone de cuatro unidades de sub de proteína globular con el grupo heme incrustado en cada uno, lo que es difícil estudiar el sitio activo de la proteína. Especies de usemolecular químicos inorgánicos sintéticos, como [Co(salen)]2, modelo sitios activos en metaloproteínas, sin embargo, la replicación de la estructura y reactividad es a menudo difícil, debido a las diferencias distintas en estructuras electrónicas entre metal y compuestos de coordinación simple rodean superstructures de la proteína.

    Epiclorhidrina es un reactivo que consiste en un epóxido y un cloruro de alquilo. Se utiliza en la producción de resinas epoxi y otros elastómeros. Sin embargo, a pesar de su versatilidad, es difícil producir Epiclorhidrina carbonil.

    Para separar mezclas racémicas de Epiclorhidrina, complejos quirales salen pueden ser utilizados. Por ejemplo, en una resolución cinética hidrolítica de epóxidos, epiclorhidrina racémico se trata con un ligando salen quirales basadas en poliestireno en presencia de agua, que conduce a la hidrólisis de uno de los enantiómeros. El enantiómero puede ser separado y el catalizador de polímeros compatibles puede filtrarse fuera de la mezcla de reacción y reutilizar.

    Sólo ha visto la introducción de Zeus [Co(salen)]2. Ahora debe comprender sus principios, el procedimiento y algunas de sus aplicaciones. ¡Gracias por ver!

    Results

    Caracterización de inactivo [Co(salen)]2:

    Figure 1

    IR (cm-1) recogidos en accesorio de ATR: 2357 (w), 1626 1602 (w), (m), 1528 (w), 1542 (m), 1448 (w), 1454 (m), 1429 (m), 1348 (w), 1327 1323 (w), (m), 1288 (m), 1248 (w), 1236 1197 (w), (m), 1140 (m), 1124 (m), 1089 1053 (w), (m), 1026 (w) , 970 (w), 952 (w), 947 (w), 902 (m), 878 (w), 845 (w), 813 (w), 794 (w), 750 (s), 730 (s).

    O2 la absorción:

    59,2 mg (0.090 mmol) de [Co(salen)]2 consume 0,002 L de O2. Usando el estándar de la presión y la temperatura registrada en el paso 3.6, el número de moles de O2 consumido fue:

    Equation 1

    El calculado moles de Co en 0.090 mmol de [Co(salen)]2:

    Equation 2

    Por lo tanto el cociente de2 Co:O era:

    0.180 mmol Co: 0.082 mmol O2

    que es equivalente a un cociente de la 2:0.91 de Co O2.

    Además de CHCl3 a [Co(salen)]2– O2 aducto:

    Además de CHCl3, la CHCl3 solución se puso roja y una corriente de burbujas fue liberada de los sólidos, que indica liberación de gas de2 O y formación de inactivo [Co(salen)]2.

    Applications and Summary

    En este video explicamos las diferentes maneras en que el oxígeno diatómico puede coordinar a centros metálicos. Sintetiza el oxígeno-llevar cobalto complejos [Co(salen)]2 y estudió su unión reversible con O2. Experimentalmente demostró que inactivo [Co(salen)]2 se une reversiblemente O2 y formas un 2:1 Co:O2 aducción en presencia de DMSO.

    Todos los vertebrados dependen de la hemoglobina, un metalloprotein encontrado en glóbulos rojos, para el transporte de oxígeno a los órganos respiratorios así como otros tejidos. En hemoglobina, oxígeno reversible une a un grupo hemo que ofrece un centro único de Fe coordinado a un anillo heterocíclico llamado una porfirina (Figura 6a). La hemoglobina no es el único metalloprotein oxígeno-transporte y almacenamiento. Por ejemplo, los moluscos poseen una proteína llamada hemocianina, que cuenta con un sitio activo de dicobre que es responsable del transporte de oxígeno (figura 6b).

    Utilizando especies moleculares sintéticas a sitios activos de modelo en metaloproteínas es difícil debido a las diferencias distintas en la estructura electrónica de un compuesto de coordinación simple comparada con la de un metal rodeado por una superestructura de proteína. Como resultado, a menudo es difícil reproducir exactamente la estructura del sitio activo en metaloproteínas. Si bien hay ejemplos de complejos de modelo que imitan estructuralmente metal sitios activos, hay menos ejemplos de complejos de modelo estructural similar que presentan reactividad inherente a la metaloenzima nativo.

    Figure 6
    Figura 6. (a) la Fe centro de hemoglobina se une al O2 de una manera en extremo, mientras que (b) el sitio de activo que contiene cobre en hemocianina se une al O2 en una puente lateral sobre orientación.

    References

    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).

    1. síntesis de inactivo [Co(salen)]2

    1. Un matraz de fondo redondo de 250 mL 3-cuello de carga con 120 mL de 95% EtOH y 2,20 g (0,192 mL, 0.018 mol) de salicylaldehyde.
    2. Ajuste el cuello de centro con un condensador conectado a N2. Colocar los otros dos cuellos con una membrana de goma y un embudo de adición con una membrana de goma.
    3. Remover la reacción en un baño de agua y calentar la solución al reflujo (80 ° C).
    4. Agregar diamina del etileno (0,52 g, 0,58 mL, mol 0.0087) vía jeringa a través del tabique de matraz de fondo redondo.
    5. En un matraz de fondo redondo de 50 mL, prepare una solución de Co(OAc)2·4H2O (2,17 g, mol 0.0087) en 15 mL de agua destilada. Calentar la solución en el mismo baño de agua que contiene el matraz de cuello de 3 para que todo el acetato de cobalto se disuelva.
    6. Añadir la solución de acetato de cobalto en el embudo de adición.
    7. Desgasificar la solución de acetato de cobalto por burbujas de N2 a través del líquido en el embudo de adición durante 10 minutos (ver vídeo de la "Síntesis de un Ti(III) metaloceno usando Schlenk Line técnica" para un procedimiento más detallado en purga de líquidos). El adaptador de2 condensador N deba ser cerrada para permitir que el N2 a burbujear a través de la solución de acetato de cobalto.
      Nota: Nunca caliente un sistema cerrado. Asegúrese de que el sistema de ventilación durante la desgasificación.
    8. Añadir lentamente la solución de acetato de cobalto (II) (~ 1 gota/s), agitando vigorosamente la mezcla de etanol. Sin agitación suficiente, formará un precipitado grueso que puede atascarse en la barra de agitación.
    9. Una vez agregado todo el acetato de cobalto, revuelva la reacción a reflujo durante 1 h.
    10. Apague la placa caliente y retire el matraz de fondo redondo 3-cuello del baño.
    11. Retire el embudo condensador y además del frasco. Sumergir el matraz en un baño de hielo para facilitar la precipitación de los [Co(salen)]2.
    12. Filtrar la solución bajo vacío para aislar el sólido y lavar el sólido resultante rojo con etanol frío.
    13. Aislar el sólido. Calcular el rendimiento de la reacción y recoger un IR de [Co(salen)]2. Asegúrese de que el [Co(salen)]2 esté seco antes de usarlo en la reacción de absorción de O2 .

    2. aparato configuración para O2 absorción (figura 5)1

    Nota: Es muy importante que el sistema no gotea. Una fuga en el sistema llevará a una menor de la esperada relación de Co:O2 .

    1. Conecte una aguja a un cilindro de gas O2 (ultra alta pureza) con tubería de Tygon. Suavemente de la burbuja O2 a 5 mL de DMSO para por lo menos 10 minutos.
    2. Mientras que el DMSO está siendo saturada con O2, coloque los dos extremos de una pipeta de vidrio graduada de 10 mL con (cada 1,5 pies de longitud) de la tubería de Tygon.
    3. Coloque un embudo de cristal en una de las piezas de la tubería de Tygon.
    4. Sujetar la pipeta de vidrio y el embudo en un soporte de anillo para que el embudo esté mirando hacia arriba y el tubo en forma de U ( figura 5).
    5. Llenar la pipeta y embudo con aceite mineral. Agregue el aceite a través del embudo, asegurándose de que el aceite también llena el tubo conectado a la pipeta. Continuar añadiendo el aceite hasta que el embudo se llena a medio camino encima del embudo. No deje que el aceite de acercarse demasiado a la parte superior del embudo, como el O2 que burbujea a través del embudo puede causar salpicaduras si el embudo es demasiado completo.
    6. En el extremo abierto del tubo, coloque un tubo de ensayo de brazo lateral (tubo prueba).
    7. Añadir 50 mg (0.077 mmol) de los inactivos [Co(salen)]2 al tubo de ensayo de brazo lateral un comunicado con la pipeta de cristal.
    8. Añadir 2 mL de DMSO saturada de O2 a un tubo de ensayo 3 mL (tubo de ensayo B).
    9. Utilice un par de pinzas para tubo de ensayo suavemente más bajo B en tubo de ensayo A, teniendo cuidado de no derramar alguna del DMSO. Es importante no exponer la [Co(salen)]2 el DMSO en este punto.
    10. Prueba de tubo con una membrana de goma del sello. Alambre el tabique para evitar fugas.
    11. Inserte la aguja conectada al tanque de gas de2 O en el tabique y purgar el sistema con O2 durante 10 minutos.
    12. Retire la aguja de2 O y la parte superior de la membrana de goma para evitar fugas de grasa.
    13. La presión dentro de la configuración deba ser lanzado para conseguir el aceite con la pipeta de cristal. Para hacer esto, inserte una aguja libre en la membrana de goma en el tubo de ensayo A. tapa la abertura con un dedo y suelte lentamente la presión dentro de la configuración. No se olvide de cubrir el agujero nuevo con grasa para evitar fugas.
    14. Mueva la pipeta de vidrio y embudo de manera que los niveles de aceite alinean en ambas piezas de la cristalería.
    15. Registrar el nivel de volumen del aceite dentro de la pipeta de cristal.

    Figure 5
    Figura 5. O instalación de aparatos de captación de2 .

    3. reacción de absorción de2 O

    1. Agregue el DMSO al sólido [Co(salen)]2 inclinando suavemente los tubos de prueba, asegurándose de que ninguno de la solución entra en el brazo lateral del tubo de ensayo A.
    2. Una vez agregado todo el DMSO, sostenga la parte superior del tubo de ensayo y mezclar suavemente la solución agitando el tubo de ensayo hacia adelante y hacia atrás.
      Nota: No utilice un arriba y abajo sacudiendo movimiento. Golpeen demasiado violentamente los dos tubos de prueba puede conducir a la ruptura del tubo de ensayo A.
    3. Continúan sacuda suavemente los tubos de ensayo con la mano hasta el nivel de aceite en la pipeta de levantamiento (15-20 min.).
    4. Una vez que cesa el consumo de O2 , mueva la pipeta y el embudo para que el aceite sube de nivel línea.
    5. Anotar el nuevo nivel de volumen del aceite en la pipeta de cristal. La diferencia de volumen es el volumen de O2 consumido durante la reacción en la atmósfera (1 atm) presión.
    6. Registrar la temperatura de la habitación.

    4. O2 liberación de [Co(salen)]2 - O2 aducción

    1. Transferir la solución de DMSO resultante del paso 3 para un tubo de centrífuga de 15 mL.
    2. Llenar un segundo tubo de ensayo con una cantidad equivalente de agua.
    3. Inserte los tubos de prueba frente a la unos a otros en una centrifugadora.
    4. Centrifugar la muestra durante al menos 15 minutos. La calidad del pellet sólido resultante mejora con el aumento de tiempo de la centrifugadora.
    5. Retire suavemente el tubo de ensayo con el [Co(salen)]2- O2 aducción muestra, para no perturbar el sedimento.
    6. Decantar con cuidado la solución de DMSO sobre el sedimento.
    7. Sostiene el tubo de centrífuga en un ángulo de 45 ° con el diábolo hacia arriba, lentamente agregar 1 mL de CHCl3 con una pipeta, permitiendo que la solución gotee abajo al lado del tubo de centrífuga.
    Tenga mucho cuidado para no perturbar el sólido [Co(salen)]2- O2 aducción.
  • Observar los cambios físicos que se producen.
  • [N,N'-Bis(salicylaldehyde)ethylenediimino]cobalt(II), abreviado [Co(salen)]2, es un complejo organometálica, que se utiliza para investigar metaloproteinas de transporte de oxígeno.

    Metaloproteínas como hemoglobina pueden unir reversiblemente O2 y para entender este mecanismo, se estudian los complejos como [Co(salen)]2 .

    [Co(salen)] 2 existe en dos formas: activo e inactivo. La forma activa consiste en un heterodímero, en que dos cobalto centros forman una interacción muy débil de van-der-Waals, proporcionar suficiente espacio para inserción de molecular O2 en el de estado sólido.

    En la forma inactiva de [Co(salen)]2 el cobalto centros de cada forma de la molécula un enlace dativo con un átomo de oxígeno de otra molécula. Esto disminuye el espacio entre las unidades y molecular O2 no caben más, salvo que se utilice un disolvente coordinación, como el DMSO, que facilita la estabilidad de la aducción.

    Este video ilustra los principios de la [Co(salen)]2, la síntesis de su forma inactiva y el análisis de la Unión reversible a molecular O2.

    Molecular O2 puede coordinar al metal de la transición complejos de varias maneras: lado, lado puente, puente en la final y el final. En el inactivo [Co(salen)]2, O2 coordina a los dos centros de cobalto de una manera en extremo tiende un puente sobre y el DMSO coordinación completa la esfera de coordinación octaédrica de cada centro de cobalto generando un complejo 2:1 que puede ser explicado al examinar el diagrama de orbital molecular de O2 y el d -orbital división diagrama de [Co(salen)]2.

    Oxígeno tiene dos electrones no apareados en el π * orbital molecular, lo que significa un estado triplete, mientras que [Co(salen)]2 tiene un electrón desapareado en su orbital molecular σ *.

    La Unión de O2 a [Co(salen)]2 es una reacción redox, en el cual dos centros de cobalto pierden un electrón cada uno y los beneficios de la molécula de O2 dos electrones, formando un peróxido (O2-2).

    La relación de Co:O2 en una reacción puede determinarse midiendo el volumen de O2 consumido en un sistema cerrado. Usando la ley de gas ideal, se pueden calcular las moles consumidas O2 .

    Además, se puede estudiar la reversibilidad de la Unión de2 O por la adición de CHCl3 al producto. CHCl3 es un solvente no coordinación, que no se puede estabilizar O2 aducción. Por lo tanto, además de CHCl3 a la [Co(salen)]2- O2 aducción conduce a una disminución en la concentración de DMSO y empuja la reacción en sentido inverso, dando por resultado la liberación de O2.

    Ahora que hemos discutido los principios de la [Co(salen)]2, echemos un vistazo a un procedimiento para la síntesis de su forma inactiva y su uso en consumo O molecular2.

    En una campana de humos, cobrar una mufla con la 250 mL cuello de tres con una barra de agitación, el etanol al 95% y el salicylaldehyde. Coloque un condensador en el cuello de centro y un embudo de adición con un tabique en el cuello exterior.

    Coloque el tercer cuello del frasco con un septo 3-cuello y fije una línea de2 N en el condensador. Bajo una atmósfera de N2 , la reacción de un baño de agua a 80 ° C, añadir y diamina del etileno por jeringa.

    En un matraz de fondo redondo de 50 mL separadas que contiene una barra de agitación, agregue Co(OAc)2·4H2O y disolver en 15 mL de agua destilada.

    Una vez disuelto completamente, transferir la solución de acetato de cobalto en el embudo de adición y degas por los burbujeantes N2 a través de ella durante 10 minutos.

    Cuando termine de desgasificación, agregue lentamente la solución de acetato de cobalto a la mezcla vigorosamente agitada salicylaldehyde. Agitar en el reflujo durante 1 hora.

    Cuando haya terminado, retirar el matraz del baño calefacción y retire el embudo condensador y adición. Luego sumergir el matraz en un baño de agua helada para facilitar la precipitación de [Co(salen)]2.

    Aspiradora filtro el precipitado en un embudo Buchner con papel filtro y lavar el rojo sólido con etanol frío. Secar el sólido completamente, pesar y calcular que el porcentaje de rendimiento.

    Conectar una aguja con una O2-cilindro de gas con tubería de Tygon. Luego de la burbuja suavemente O2 a 5 mL DMSO durante 10 minutos.

    Conectar dos secciones de 18 pulgadas de la tubería de Tygon para cualquiera de los extremos de una pipeta de vidrio graduada de 10 mL. Sujetar la pipeta en un soporte de anillo con la graduación más baja hacia arriba. A continuación, coloque un embudo de vidrio tallo largo a la pieza inferior de la tubería y sujete el embudo en el soporte de anillo con el embudo mirando hacia arriba.

    Asegúrese de que el tubo de conexión de la pipeta y el embudo de forma de forma de U. Agregar aceite mineral para el embudo y el tubo, hasta que el embudo es aproximadamente lleno hasta la mitad.

    Conecte un tubo de ensayo de brazo lateral para el tubo en la parte superior de la pipeta y añadirle [Co(salen)]2 .

    Transferir 2 mL de O2-saturada en un tubo de ensayo 3 mL de DMSO y, usando un par de pinzas, baje probeta B prueba tubo sin derramar.

    Sello prueba tubo con una membrana de goma apretado con alambre de cobre. Inserte una aguja unida al tanque de2 O en el tabique y purgar durante 10 minutos. Luego retire la aguja y la parte superior del tabique para evitar pérdidas de grasa.

    Inserte una aguja libre en el tabique de la prueba de tubo para permitir que el aceite mineral llegar a la pipeta de cristal, cubriendo la abertura con un dedo y lentamente liberando la presión. Luego retire la aguja y vuelva a cubrir la parte superior del tabique con grasa.

    Ajuste la altura del embudo y pipeta para que los niveles de aceite se alinean en ambas piezas de la cristalería y registran el nivel de aceite dentro de la pipeta.

    Suelte el DMSO de tubo de ensayo B pesca el brazo lateral del tubo de prueba A hacia el techo. Una vez agregado todo el DMSO, sostenga el tubo de ensayo en posición vertical y agitar suavemente.

    Seguir a agitar los tubos de ensayo hasta el nivel de aceite en las paradas de la pipeta de levantamiento, que significa ya no se consume O2 . A continuación, ajuste la altura del embudo para que el nivel de aceite en el está alineado con el nivel de aceite en la pipeta. Registrar el nivel de aceite en la pipeta y la temperatura de la habitación.

    Retirar el tabique prueba tubo y transferir el contenido a un tubo de centrífuga de 15 mL.

    Coloque el tubo en una centrifugadora en una posición frente a un tubo con una cantidad equivalente de agua.

    Centrifugar las muestras durante al menos 15 minutos, luego retire suavemente el tubo que contiene la pastilla de2 [Co(salen)]. Decantar con cuidado el líquido sin perturbar el pellet.

    Mantenga el tubo de centrífuga que contiene el precipitado en un ángulo de 45 º, y utilizando una jeringa lentamente 1 mL de CHCl3 bajando por el lado del tubo de goteo. Observar los cambios físicos que se producen.

    Ahora vamos a evaluar los resultados. El rendimiento de la [Co(salen)] inactivo sintetizado2 2,4 g, que es 85%. El espectro IR muestra un pico en 1528 cm-1, que es indicativo del tramo de la CN. Además, la ausencia de un estiramiento O-H indica que no ligando libre está presente.

    59,2 mg de [Co(salen)]2, que es igual a 0.090 mmol, consume 2 mL de O2. Usando la ley del gas ideal, presión estándar y temperatura registradas, el número de moles de 2 mL O2 fue determinada para ser 0.082 mmol. Por último, el número de mmol de Co en [Co(salen)]2 fue determinado y dividido por la cantidad de mmol de O2 para obtener el cociente de Co:O2, 2:0.91.

    Reversibilidad de la Unión de2 O se demostró utilizando CHCl3, donde además del solvente disminuye la concentración de DMSO, y el equilibrio de reacción desplazado a los reactivos, dando por resultado la liberación de O2 , como se observó en propagación de la reacción y el cambio de color a rojo.

    Complejos de coordinación puede utilizarse en el campo de la química y química bioinorganic estudiar varias metaloproteinas.

    Por ejemplo, la hemoglobina metalloprotein se compone de cuatro unidades de sub de proteína globular con el grupo heme incrustado en cada uno, lo que es difícil estudiar el sitio activo de la proteína. Especies de usemolecular químicos inorgánicos sintéticos, como [Co(salen)]2, modelo sitios activos en metaloproteínas, sin embargo, la replicación de la estructura y reactividad es a menudo difícil, debido a las diferencias distintas en estructuras electrónicas entre metal y compuestos de coordinación simple rodean superstructures de la proteína.

    Epiclorhidrina es un reactivo que consiste en un epóxido y un cloruro de alquilo. Se utiliza en la producción de resinas epoxi y otros elastómeros. Sin embargo, a pesar de su versatilidad, es difícil producir Epiclorhidrina carbonil.

    Para separar mezclas racémicas de Epiclorhidrina, complejos quirales salen pueden ser utilizados. Por ejemplo, en una resolución cinética hidrolítica de epóxidos, epiclorhidrina racémico se trata con un ligando salen quirales basadas en poliestireno en presencia de agua, que conduce a la hidrólisis de uno de los enantiómeros. El enantiómero puede ser separado y el catalizador de polímeros compatibles puede filtrarse fuera de la mezcla de reacción y reutilizar.

    Sólo ha visto la introducción de Zeus [Co(salen)]2. Ahora debe comprender sus principios, el procedimiento y algunas de sus aplicaciones. ¡Gracias por ver!

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