Yapısal modeller olarak kaliksaren bazlı Cu(I) ve Cu(II) kompleksleri

Mononükleer bakır enzimleri, proteinlerin önemli bir sınıfını oluşturmaktadır (Kaim ve Rall 1996, Klinman 1996). Çok az sayıda kimyasal sistem, bir monobakır bölgesinde modellemede spesifik kimyaya imkan tanımaktadır. Literatürde mononükleer bakır bölgelerinin supramoleküler bir modeli açıklanmıştır. Üç piridin grubu ile uygun olarak türevlendirilmiş bir kaliks[6]arenin konik şekli bir avantaj olmuştur. Pridin gruplarının rolü, bakır iyonu için bir N3 donör seti sağlamaktır. Bu

set, kararlı bir mononükleer geçiş metal kompleksinin oluşumuna ve harici bir molekülle etkileşen bir kap şeklinin oluşumuna neden olmaktadır. Bu sistem,

N N N Cu1 CH₃ RCN O O O O O O N N N Cu N R MeCN + PF6- OMe O N N 3 (a) (b)

Şekil 2.13. Enzimlerdeki mono bakır bölgeleri için model olrak kullanılan kaliksaren Cu(II) kompleksleri ve etkileşimleri

dopamin-β-hidroksilaz, peptidil glisin, α-amitli mono oksijenazlar, bakır-amin oksidazlar ve nitrat redüktazlar gibi enzimlerdeki Cu(II) iyonlarını koordine eden imidazol gruplarını mimik etmektedir (Klinman 1996). Burada kaliks[6]arenin rolü, organik molekülün yaklaşımını kolaylaştırmak için diğer bir metal merkezi ile istenilmeyen herhangi bir etkileşimi engellemek ve hacmi ve özelliğine bağlı olarak seçimlilik oluşturmasıdır (Blanchard 1998). Boşluğun önemini değerlendirmek için Şekil 2.13’te gösterilen ligand a da küçük bir modifikasyon yapılmış ve kaliks[4]arenin üç ter-bütil grubu giderilmiştir (Rondelez 2002a).

Kısmen ter-bütil grupları giderilmiş ligand b, ligand a dan daha geniş açılarak daha büyük bir moleküler cep oluşturmaktadır. Bu kaliksaren bazlı mononükleer Cu(I) merkezlerine farklı nitril gruplarının yarışmalı olarak bağlanması, 1H NMR spektroskopisiyle incelenmiş ve nitrilli ligandların bakır komplekslerini tanıyan bir model olduğu bulunmuştur. Ligand a ile karşılaştırıldığı zaman ligand b’nin PhCN ve MeCN ye karşı elde edilen eğilimleri, tersine dönmüştür. Üç ter-bütil grubunun

OMe O N N

2

giderilmesi, MeCN nin değişim oranının 100 kat daha hızlanmasına neden olmuştur. Kaliksarenler, aromatik kısımlarının diğer gruplarla etkileşimini optimize edecek çok kullanışlı bir konformasyon oluşturma özelliğine sahiptirler. Bu nedenle kaliksaren konformasyonu, nötral moleküller için seçimli bir huni rolü oynamaktadır. Kaliksarenlerden elde edilen biyomimetik kompleksler, doğal sistemde özellikle substratla hızlı etkileşim ve ürün oluşumu için zorunlu olarak bilinen yüksek esneklik derecesini korumaktadırlar. Bu nedenle bu supramoleküler sistemler, metalloenzim aktif bölgesine ulaşmayı sağlayan hidrofobik substrat kanalı için mükemmel ve seçimli bir model oluşturmaktadırlar. Diğer bir çalışmada biyomimetik imidazolil pendant gruplarına sahip kaliks[4]aren (Şekil 2.14), iki koordineli Cu(I) kompleksinin kararlılığı için bir platform olarak kullanılmıştır. Bu kompleksin O2

oksidasyonuna karşı aşırı derecede dayanıklı ve hatta açık havada veya potansiyel olarak koordine olduğu protik çözücülerde bile haftalarca kararlı olduğu ortaya çıkmıştır (Le Clainche 2000a).

İki piridin halkasından daha ziyade iki imidazol halkasının varlığı, oksidasyona karşı Cu(I) kompleksinin kararlılığının artmasını sağlamaktadır. Bu durum, elektronik faktörlerden olabildiği gibi piridine göre imidazollü türler için iki koordinat şeklini kararlı kılan imidazol-azot atomu ve bakır(I) arasındaki orbital örtüşmesindeki artışla açıklanmıştır. Gerçektende ilgili piridin bazlı kaliks[4]arenden elde edilen bakır(I) kompleksi, O2 ye aşırı derecede duyarlıdır ve saniyeler içerisinde

havada otooksidasyona uğramaktadır. Bu, Cu(I) reaktivitesinin kontrolüne izin veren anahtar özelliklerin birisi olarak, metal bağlanma bölgesinin ön-organizasyonunun

O O O O O O N N N N N N Cu O 2- SO₃- Br Br SO₃- SO3- Br

önemini vurgulamaktadır. Bu durum, Cu(I)’in bağlanmasını kullanan ya da hücrelerde diğer proteinlere Cu(I) taşıyan veya ileten bakır kaperonlardaki (chaperones) gibi küçük molekülleri aktive eden veya kararlı hale getiren biyolojik sistemlere benzemektedir (Le Clainche 2000a). Rondelez ve ark. (2002a) bir biyomimetik tris(imidazol) koordinasyon çekirdeği sağlayan, dört farklı kaliks[6]aren bazlı bakır kompleksi açıklamışlardır. Metal merkezi ve host yapısı arasındaki kuvvetli konformasyonel birleşme, sisteme bir supramoleküler kontrol sağlamaktadır.

Çözünebilir ve fizyolojik şartlarda kararlı biyomimetik komplekslerin sentezi, önemli bir amaçtır. Bakır enzimleri ile ilgili çalışmalarından biri de, suda çözünebilen biyomimetik kuprik kaliks[6]aren kompleksinin (Şekil 2.15) sentezidir (Rondelez 2002b). Bu model, CO ya karşı metal iyonu için kuvvetli ilgiye sahip harici bir ligandın etkileşebileceği dört bağlanma bölgesine sahip bir N3Cu(I)

kompleksinin oluşmasını sağlamaktadır. CO nın varlığı, IR spektrumundaki 2075 cm-1 deki absorbsiyon piki ile doğrulanmıştır. Bu kuprik kompleks, disproporsiyona ve hava oksidasyonuna karşı dayanıklıdır. Ayrıca bu model, üç imidazol grubuyla koordinasyon çevresi oluşturmakta ve enzimlerdeki tris(histidin) bağlanma bölgesini mimik etmektedir.

OMe O N N 3 N N N Cu11 H2O OH2 N N N Cu11 N OH2 R Cu(II)(OH2)6( ClO4)2 H2O RCN R = Me (a) (b) (c)

Her ne kadar hekzasülfonatlı kaliks[6]aren türevleri, 1,2,3-karşılıklı konformasyonu (Klinman 1996) tercih eden çok esnek moleküller olarak bilinseler de bir metal katyonunun bağlanması host moleküle rijitlik sağlamakta ve p- pozisyonu üzerinde sadece üç sülfonat grubu üzerinde nispeten daha az elektrostatik itme sonucu koni konformasyon tercih edilmektedir (Rondelez 2002b).

Bakır enzimleri, redoks proseslerinde bulunduğundan bu kaliksaren-bazlı ligandlara Cu(II) nin koordinasyonunun araştırılması çok önemlidir. Bu şekilde ilk bakır komplekslerinin yapısı ve host-guest davranışı incelenmiştir. Kompleksin diklormetan çözeltisine MeCN ilavesinden sonra MeCN ve metal merkezi arasındaki etkileşimden dolayı, tetrahedral geometrinin trigonal bipiramidal yapıya doğru yöneldiği gözlenmiştir. Ayrıca propiyonitril veya allil nitril ilavesi, elektron paramanyetik rezonans (EPR) ve görünür spektrumda önemli değişikliklere neden olurken daha hacimli benzilnitril etkisiz olmuştur. Bu durum, kompleksin küçük moleküllerle seçimli etkileşebilen değişken bir koordinasyon bölgesine sahip

Şekil 2.16. Kuprik kaliks[6]aren bir moleküler huni olarak davranışının şematik gösterimi

olduğuna işaret etmektedir. Kaliksaren hidrofobik boşluğu, dimerizasyona karşı metal merkezini korumakta ve aynı zamanda organik moleküller için bir moleküler huni olarak rol oynamaktadır (Şekil 2.16) (Le Clainche 2000b).

2.8.3. Biyolojik sistemlerde Zn(II) nin önemi

Çinko, iki yüzden daha fazla enzimin bir bileşenidir. Çinko enzimlerinin aktif bölgeleri, enzimin spesifik fonksiyonunu etkileyen özelliğe sahip üç veya dört aminoasit grubu ile protein iskeletine bağlı bir çinko merkezine yer vermektedir. Farklı çinko enzimleri, aktif bölgede farklı aminoasit gruplarını kullanmakta ve bu sebeple çinkonun kimyası, onun koordinasyon çevresiyle ayarlanmaktadır. Çinko(II) iyonu, biyolojik olarak gerekli bir iyondur. Aktif bölgelerinde çinko(II) içeren enzimlerin sayısı arttıkça önemi de artmaktadır (Lipscomb ve Strater 1996, Auld 1997). Literatürde tripodal ligandlara yer veren çinko enzimlerinin biyoorganik kimyası açıklanmıştır (Parkin 2000). Bu enzimler, başlıca hidrolitik proseslerde bulunmakta fakat aynı zamanda alkollerin tersinir oksidasyonunu da katalizlemektedirler. Bu sebeple, enzim aktif merkezi, amitler, karboksilik asitler, aminler, alkoller, aldehitler gibi farklı fonksiyonel gruba sahip moleküllerle etkileşmektedirler. Farklı araştırma grupları, makrosiklik triaminler, tris(imidazolil)- fosfinler veya anyonik tris(pirazolil)-boratlar gibi ligandların farklı özelliklerini kullanan çinko merkezinin koordinasyon çevresini yapısal olarak modellemişlerdir (Ruf 1997, Bergquist ve Parkin 1999). Tüm bu modeller, Zn-hidroksit kompleksler üzerine odaklanmıştır.