Содержание к диссертации
Введение
Обзор литературы 6
1. Биосенсоры 6
2. Ферменты 7
2.1. Глкжозооксидаза из Aspergillus niger - 7
2.2. Пероксидаза из корней хрена 9
3. Медиаторы 11
Металлоорганические соединения как медиаторы электронного переноса в биосистемах 12
3.1. Ферроцены 15
3.1.1. Ферроцены как медиаторы глюкозооксидазы
из Aspergillus niger 15
3.1.2. Ферроцены как субстраты пероксидазы из корней хрена 22
3.2. Соединения осмия и рутения 28
3.3. Циклометаллированные комплексы рутения и осмия 34
Экспериментальная часть 37
1. Приборы и реагенты 37
2. Методы 39
2.1. Синтез веществ 3 9
2.2. Приготовление растворов 50
2.3. Исследование кинетики окисления комплексов рутения (II) пероксидом водорода, катализируемого пероксидазой из корней хрена 51
2.4. Исследование кинетики межмолекулярного переноса электронов между комплексами рутения(Ш)и осмия(Ш) и активным центром ГО 51
2.5. Изготовление ферментных электродов 52
Результаты и обсуждение 53
1. Исследование кинетики окисления комплексов типа цис-[Run(LL)XY] пероксидом водорода, катализируемого пероксидазой из корней хрена 53
1.1. Общие наблюдения и стехиометрия реакции окисления комплексов типа ijHC-[Run(LL)XY] пероксидом водорода, катализируемого ПХ 53
1.2. Формальная кинетика окисления комплексов рутения типа Uhc-[Ruh(LL)XY] под действием Н2О2, катализируемого ПХ 55
1.3. Влияние хлорид-ионов на реакцию окисления комплексов [Run(LL>2XY] пероксидом водорода, катализируемого ПХ 59
1.4. Влияние имидазола на кинетику реакции пероксидазного окисления комплексов [Run(LL)2XY] под действием пероксида водорода 60
2. Циклометаллированные комплексы рутения(И): синтез, свойства и их применение в биосистемах 63
2.1. Синтез циклометаллированных комплексов 64
2.2. Изучение ферментативных реакций в присутствии циклометаллированных комплексов рутения(П) 69
2.2.1. Изучение реакции окисления циклометаллированных комплексов Ru11 пероксидом водорода, катализируемого ПХ 69
2.2.2. Исследование реакции восстановления циклометаллированных комплексов Rum глюкозой, катализируемого ГО 70
2.3. Ферментные электроды, основанные на циклорутенированных комплексах. 72
2.3.1. Электроды для определения D-глюкозы и пероксида водорода 72
2.3.2. Электроды для определения этанола 75
2.4. Синтез редокс-полимера на основе металл ациклических комплексов рутения(П) и поли(1-винилимидазола). 78
3. Циклометаллированные комплексы осмия(П) 82
3.1. Синтез циклометаллированных комплексов осмия(П) 82
3.2. Исследование осмациклов как медиаторов глюкозооксидазы из A. Niger. 84
Выводы 86
Список литературы 87
Приложение. Структурные формулы изученных соединений 102
- Металлоорганические соединения как медиаторы электронного переноса в биосистемах
- Исследование кинетики межмолекулярного переноса электронов между комплексами рутения(Ш)и осмия(Ш) и активным центром ГО
- Формальная кинетика окисления комплексов рутения типа Uhc-[Ruh(LL)XY] под действием Н2О2, катализируемого ПХ
- Синтез редокс-полимера на основе металл ациклических комплексов рутения(П) и поли(1-винилимидазола).
Введение к работе
Изучение кинетики и механизмов ферментативных реакций с участием металлоорганических соединений началось сравнительно недавно и обусловлено, прежде всего, широким использованием этих веществ в создании различного рода биосенсоров, основанных на процессе ферментативного катализа. В основе действия подобного рода биосенсоров лежит перенос электронов между активным центром фермента и электродом. Однако прямой перенос электрона между ферментом и электродом в большинстве случаев затруднен из-за больших стерических затруднений или значительного перенапряжения. Для того чтобы облегчить и ускорить процесс переноса электрона, используют медиаторы. Обычно, это низко молекулярное редокс-активное соединение, которое переносит электроны из активного центра фермента на поверхность электрода
Наиболее привлекательными веществами, с точки зрения их использования как медиаторов электронного переноса при создании биосенсоров, в последнее время видятся металлорганические соединения.
Несмотря на значительный прогресс в использовании некоторых металлоорганических соединений в различных ферментативных системах, информация о кинетике данных процессов довольно ограничена Таким образом, важной задачей является изучение ферментативных реакций с участием металлоорганических соединений и на основе полученных данных создание новых высокоактивных медиаторов, способных осуществлять быстрый перенос электрона между активными центрами ферментов и электродами.
Металлоорганические соединения как медиаторы электронного переноса в биосистемах
Дня того, чтобы облегчить и ускорить процесс гетерогенного переноса электрона между активным центром фермента и поверхностью электрода, используют медиаторы - молекулы, устойчивые в окисленной и восстановленной формах и способные быстро реагировать с ферментом.
Медиаторы являются искусственными электронопередающими агентами, которые могут участвовать в окислительно-восстановительных реакциях с активным центром фермента и таким образом помогать в быстром электронном переносе.
Медиатор должен быть стабильным при требуемых рабочих условиях и не участвовать в побочных реакциях в течение электронного переноса Медиатор выбирается таким образом, чтобы он имел редокс-потенциал ниже, чем возможные электрохимически активные интерференты в исследуемом образце. Редокс-потенциал медиатора должен обеспечивать достаточный градиент потенциала для электронного переноса между активным центром фермента и электродом. Редокс-потенциал медиатора должен быть более положительным по сравнению с потенциалом активного центра фермента для окислительного биокатализа и отрицательным для восстановительного биокатализа. Также желательно использовать низкопотенциальный медиатор с высокой электрохимической константой скорости обмена электронов, чтобы отклик биосенсора не был лимитирован электродной кинетикой.
Преимущества использования медиаторов в амперометрических ферментных биосенсорах: 1. Измерения меньше зависят от концентрации кислорода. 2. Рабочий потенциал ферментного электрода определяется потенциалом окисления медиатора. 3. При использовании низко потенциальных медиаторов можно избежать интерференции со стороны нежелательных легкоокисляющихся веществ. 4. Если окисление восстановленного медиатора происходит без участия протонов, то электрод получается относительно рН-независимым. При изготовлении биосенсоров в качестве медиаторов используется самые разнообразные соединения. Среди них наиболее используемыми являются различные органические красители (метиленовый голубой, феназины, метиловый фиолетовый, ализарин желтый, берлинская лазурь, тионин, лазурь А и С, толуидин голубой) [21-26]; неорганические редокс-ионы и металлоорганические соединения. Недостатками органических веществ являются их низкая стабильность и зависимость их электрохимических характеристик от рН.
В последнее время металлоорганические соединения привлекают все большее внимание благодаря более развитой синтетической химии и отсутствия недостатков, присущих органическим веществам. Наиболее часто используемыми соединениями, содержащими переходные металлы, на настоящий момент являются ферроцен и его производные, и металлоорганические комплексы рутения и осмия.
Хороший медиатор должен быть достаточно небольшим, чтобы проникать к обычно удаленным активным центрам фермента, иметь подходящий редокс-потенциал и нернстовское поведение, независимое от рН среды, и иметь высокую константу скорости электронного переноса с окисленным или восстановленным активным центром фермента [2]. Эти требования обычно являются общепринятыми при создании большинства биосенсоров. Фактически моноядерные комплексы с небольшими лигандами достаточно компактны. С помощью правильного выбора металла и определенного набора лигандов можно оптимизировать редокс-потенциал, используя, например, теорию аддитивности Ливера, которая позволяет теоретически рассчитать редокс-потенциал комплекса металла, основываясь на составе лигандной оболочки [27]. Редокс-потенциал медиатора не зависит от среды, если комплекс переходного металла не содержит лабильных, подверженных гидролизу или замещению лигандов. Поэтому, требования, предъявляемые к медиаторам, легко выполнимы, однако, медиатор, разработанный следуя этим требованиям, может и не проявлять склонности к обмену электронов с активным центром фермента. Например, редокс-потенциалы комплексов [Те(СК)б]4\ [Со(Ьру)з]2+ и [Си(Ьру)2]2 равны 396, 302 и 59 мВ относительно НВЭ, соответственно, но ни один из них не является хорошим медиатором ГО [28]. Интересно, что редокс-потенциалы практически идеальны для этого фермента, комплексы имеют небольшой размер, и они координационно насыщены. Но их реакционная способность по отношению к ГО неудовлетворительна. Результат с [Ре(С1М)б]4\ однако, немного неясен в свете нескольких статей по биосенсорам, использующих пару [Ре(СЫ)6]3"/47ГО [29-34].
Существует дополнительная характеристика медиаторов в дополнение к упомянутым выше. Это скорость самообмена медиатора [35, 36], которая должна быть достаточно высокой для того, чтобы медиатор был эффективным [28]. . В этом случае можно будет достичь высокой скорости электронного транспорта между медиатором и окисленным или восстановленным активным центром фермента Величины констант скорости самообмена для неорганических и металлоорганических молекул, часто использующимися в качестве медиаторов, представлены в табл. 1.1. Самые высокие величины констант наблюдаются для комплексов осмия, рутения и железа с дииминовыми лигандами типа Ьру или рЬеп. Для осмия и рутения они близки к диффузионноконтролируемым. Константы самообмена сильно уменьшаются для комплексов с лигандами С1Ч", 1ЧНз и аминовыми лигандами. Эта тенденция наблюдается для комплексов рутения и кобальта (табл. 1.1), несмотря на большую разницу в реакционной способности. Величины констант самообмена велики для ферроценов и существенно увеличиваются с увеличением жесткости лигандной оболочки. Часто используемые значения констант для [Ре(С!М)б]3"/4" недавно подверглись сомнению группой Цаля [37]. Истинное значение кажется в 100 раз меньше, чем обычно используемое в теоретических расчетах, основанных на теории Маркуса[35]. Эти константы скорости могут быть очень полезны для предсказания медиаторных способностей соединений металлов в реакциях электронного переноса с ГО и ПХ. Как будет видно ниже, можно сказать, что величина константы скорости е 10 М3 с"1 является критической для комплекса, чтобы быть эффективным медиатором для ГО и ПХ.
Но в любом случае необходимо помнить, что этот критерий применим не ко всем оксидоредуктазам. Например, константы скорости окисления восстановленной сульфитоксидазы дииминовыми комплексами кобальта(Ш) не ниже 5х 104 М"1 с 1 [38, 39], в то время как эти комплексы имеют низкие константы скорости самообмена и нереакционноспособны по отношению к ГО.
Исследование кинетики межмолекулярного переноса электронов между комплексами рутения(Ш)и осмия(Ш) и активным центром ГО
Для определения констант скорости окисления водорастворимых ферроценов в присутствии ПХ была также использована циклическая вольтамперометрия [83]. Интересно отметить, что фермент цитохром С пероксидаза, которая схожа с ПХ и катализирующая восстановление Н2О2 до воды, приблизительно в 100 раз более реакционноспособна по сравнению с ПХ [83, 85]. Константа скорости второго порядка равняется 1.4хЮб М"1 с"1 для FcCOOH при рН 6.5 [83]. В то же время такой разницы не наблюдается в окислении [Fe(CN)6]4" цитохром С пероксидазой и ПХ [16]. Однако эти сравнения не должны создать впечатления, что ферментативное окисление ферроценов всегда такое эффективное. К примеру, активная субъединица R2 рибонуклеотидредуктазы из Escherichia coli, которая имеет биядерный негемовый железный центр в активном центре, окисляет ферроценкарбоновую кислоту, также как и другие водорастворимые ферроцены, с константой скорости около 0.20 М"1 с"1 при рН 6.5-8.5 [86]. Скорости окисления ферроценов рибонуклеотидредуктазой похожи на скорости окисления серии комплексов кобальта(П) [87].
Ранние работы о взаимодействиях между редокс-ферментами и соединениями рутения или осмия до «взрыва» интереса к биосенсорам затеряны в толщах химической и биохимической литературы. Это не относится к рутениевой биохимии цитохромов, где комплексы и структурно схожие рутениевые соединения уже давно широко используются в исследованиях внутримолекулярного электронного переноса на большие расстояния в белках [80, 88-90] и как биомиметические модели для фотосинтетических реакционных центров [91]. Применение этих соединений в биосенсорах довольно ограничено. Комплекс [Яи(МНз)б]2+ имеет подходящий редокс- потенциал, но его реакционная способность по отношению к оксидоредуктазам крайне низка, вероятнее всего из-за низкой константы скорости самообмена (табл. 1.1). Редокс- потенциалы комплексов типа [11и(1Х)з]2+ слишком высоки (1.25 В отн. НВЭ для Яи111/11; IX = Ьру), исключая их применение в биосенсорах. Комплекс [Ли(Ьру)з]3+ является настолько сильным оксидантом, что окисляет ПХ в Соединения II и I [92]. Электронный перенос с ПХ при рН 10, когда железо(Ш) гема является пятикординационным, приводит к образованию тс-катион-радикального интермедиата с константой скорости 2.5 10 М"1 с (рН 10.3), за которым следует более медленное присоединение воды (4.1 с"1) и быстрое образование Соединения II (Схема 1.8). Окисление Соединения II в Соединение I происходит с константой скорости Их 107 М с"1, то есть быстрее, чем образование п- катион-радикала.
Такое окисление, как на схеме 1.8, неприемлемо для создания биосенсоров, так как [Яи(Ьру)з]3 . как и [1гС1б]2" [93, 94] является чрезвычайно сильным оксидантом. Этот комплекс, однако, способен окислять восстановленную ГО [95], но его высокий потенциал исключает возможность использования этого комплекса как медиатора при создании биосенсоров. Комплексы, которые могли бы быть интересными с точки зрения их использования в биосенсорах, должны окисляться Соединениями I и II, образуя исходную форму ПХ. То есть, реакция, изображенная на схеме 1.8, должна идти как бы в обратном направлении. Это произойдет, если потенциал медиатора будет ниже редокс-потенциала тема. Такие низкопотенциальные соединения осмия и рутения также способны на окисление восстановленных активных центров ФАД-зависимых оксидаз.
Из соединений рутения и осмия первыми, исследованными в качестве медиаторов ГО, были амино- и циано-комплексы рутения(П) [Ки(ЫНз)5ру] и [Ки(СК)б] [96]. Эти исследования, однако, имели небольшой эффект по сравнению с работой Дегани и Хеллера о «макро молекулярных цепях» (МЦ)[97]. Эти МЦ связываются электростатически или ковалентно с ГО и эффективно осуществляют электронный перенос. МЦ состоят из поликатионных редокс-полимеров с редокс-потенциалом, являющимся окислительным по сравнению с потенциалом центров ФАД/ФАДНг, и быстрой окислительно-восстановительной кинетикой. Одной из таких эффективных «цепей» является поликатионный сополимер поли(К-метилпиридиний хлорид) и поли[винилпиридин-Оз(Ьру)2С1], который при небольшой ионной силе (0.15 М №С1) образует электростатичный комплекс с полианионным ферментом. Эта работа дала толчок новой «гонке» в развитии амперометрических био сенсоров, ключевая роль в которых отводилась осмиевым (или рутениевым) медиаторам. МЦ были интенсивно изучены в начале 90-х годов [98-102] и первые результаты были обобщены Хеллером в двух обзорах [103, 104]. Дальнейшие исследования показали, что поли(1-винилимидазол) более привлекателен из-за легкости в синтезе [105], а более высокая плотность тока была достигнута при использовании Р()(5-зависимой глюкозодегидрогеназы вместо ГО [106]. Также в качестве полимера использовали поли(аллиламин) [107].
Ключевым соединением, которое и осуществляет перенос электрона в этих полимерах, является комплекс цис-[ОзфруЭгСЬ]. Его редокс-потенциал в водном буфере при рН 7 составляет -36 мВ (отн. НКЭ) и константа скорости для окисления ГО(восст) электрохимически генерируемым осмием(Ш) составляет 4.5 х 105 М с"1 [107]. Таким образом, низкий потенциал совсем не сказался на реакционной способности. Редокс- потенциал аналогичного рутениевого комплекса цис-[Лифру СЬ] равняется 300 мВ при тех же условиях. Разница в 300 мВ является типичной для структурно одинаковых рутениевых и осмиевых соединений (табл. 1.1 и 1.5). И хотя редокс-потенциал комплекса Елл" существенно выше, скорость окисления ГО(восст) в несколько раз ниже [108]. В макро молекулярных цепях осмий(П) связан с пиридиновыми или имидазольными атомами азота в зависимости от того, был ли использован поливинилпиридин или поливинилимидазол. Связывание с ароматическим азотным донором повышает редокс- потенциал фрагмента "(Я-ру)Оз(Ьру)2С1" и поэтому рабочие потенциалы биосенсоров с осмиевыми «цепями» равны примерно 100 мВ. Редокс-потенциалы осмиевых или рутениевых медиаторов могут быть оптимизированы, или, с другой стороны, строение медиатора может быть предсказано исходя из его редокс-потенциала. Концепция, известная как электрохимическая параметризация редокс-потенциала комплексов металлов, была впервые предложена Ливером [27] на примере пар Яип1/п. Эта концепция может сильно помочь в исследованиях медиаторной способности комплексов рутения [109] и она применима к соединениям осмия.
Комплексы осмия(П) и рутения(П) сильно поглощают в видимой области спектра. Их коэффициенты экстинкции находятся в диапазоне (5-11)х10 М с"1 при длинах волн около 500 нм. Соответствующие комплексы в состоянии окисления III поглощают немного слабее и поэтому за окислением -глюкозы комплексами ОБ, катализируемым ГО и подчиняющимся стехиометрическому уравнению 1.34,
Формальная кинетика окисления комплексов рутения типа Uhc-[Ruh(LL)XY] под действием Н2О2, катализируемого ПХ
Циклометаллированные комплексы платиновых металлов, о которых впервые стало известно в 1965 г. [124], привлекли большой интерес ученых из различных областей химии, включая тонкий органический синтез[125-127], катализ[128-130], бионеорганическую химию[131-135] и материаловедение[136-138]. При современном состоянии химии циклометаллирования, дизайн новых веществ диктуется не просто самим синтезом циклометаллированного соединения, а какими то вполне определенными прикладными целями. Этот раздел демонстрирует, как такой подход применен к новому методу синтеза целого семейства циклорутенированных комплексов, и продемонстрировано совершенно новое применение циклометаллированных соединений, то есть использование их в качестве медиаторов электронного транспорта между окисленными или восстановленными активными центрами окислительно- восстановительных ферментов. В добавление к тому, что рутенациклы оказались способны к электронному переносу, они показали чрезвычайно высокую реакционную способность по отношению к пероксидазе из корней хрена (ПХ) и глюкозооксидазе из Aspergillus niger (ГО).
Хороший медиатор должен быть достаточно небольшим, чтобы проникать к обычно удаленным активным центрам ферментов, иметь подходящий редокс-потенциал, иметь высокую скорость переноса электрона между окисленным или восстановленным активным центром фермента и иметь независимое от среды нернстовское поведение на поверхности электрода[2]. В поисках хороших медиаторов среди неорганических и металлорганических молекул с редокс-потенциалом в районе 0-200 мВ относительно НКЭ и с достаточной движущей силой, было обнаружено, что эффективность таких медиаторов не всегда коррелирует с их редокс-потенциалом[52, 57, 61, 76, 110, 113, 175]. Было предположено, что скорость самообмена[35, 36, 80] медиатора могла бы играть дополнительную роль. Широко используемый в бионеорганической химии для изучения процессов переноса электрона на большие расстояния в белках комплекс [11и(Ьру)з]2+ характеризуется константой скорости самообмена близкой к диффузионно контролируемой (1.2x109 M V1), но его высокий редокс-потенциал, равный 1.25 В (относительно НВЭ), исключает его использование в качестве медиатора электронного транспорта применительно к созданию биосенсоров. Вместе с тем, применение 2-фенилпиридина в качестве лиганда, который правомочно рассматривать как структурный аналог Ьру, приводит к тому, что редокс-потенциал понижается более чем на 0.5 В. Также компактность полученного соединения, вероятно, позволит получить высокоэффективный медиатор для оксидоредуктаз. Методика синтеза комплексов типа 2_1 (см. рис. 3.6) включает в себя циклометаллирование 2-фенилпиридина, 2-(4- толил)пиридина, N,N-диметилбензиламина [142] или 2-фенилимидазола димером [{rf- СбНб)11и(//-С1)С1]2, за которым следует взаимодействие рутенациклов 2 3, 2_4 и 210 с полипиридиновыми лигандами, что приводит к образованию нужных соединений 2_5, 2 6 и 2_12, соответственно. Разработанный нами метод синтеза комплексов типа21 (рис. 3.6) включает в себя циклометаллирование 2-фенилпиридина, 2-(4-толил)пиридина или N,N- диметилбензиламина димером [(?/-СбНб)Ли(/ -С1)С1]2, за которым следует взаимодействие рутенациклов 2 3 и 2_4 дииминовыми лигандами типа Ьру или phen, что приводит к образованию искомых соединений 2_5 и 2_б, соответственно. Этот новый метод синтеза, представленный на рис. 3.6, намного привлекательнее, чем предложенные ранее[121, 139141], когда для циклометаллирования 2-фенилпиридина и его производных были использованы комплексы i/MC-[RuCl2(bpy)2] или [RuCbOpy)]. Преимущество предложенного метода синтеза заключатся в возможности получения большого количества разнообразных соединений с хорошими выходами. Для иллюстрации этого, структурно схожий с гетеролептическими комплексами, имеющими только атомы азота как донорные центры[176], был синтезирован комплекс 25(1 путем последовательного кипячения комплекса 2_3 сначала с 2,2 -бипиридином, а затем с 5,6-диметил-1,10- фенантролином. Это подтверждает, что промежуточным соединением является комплекс 2 8. Согласно ЯМР спектрам (табл. 2.1) соединений 2 5(1 и 2_5с, диметилфенантролин был координирован с рутением. На спектре наблюдается только два метильных резонанса (2_5Л) по сравнению с 4 метальными резонансами (спектр 2_5с). Интересно, что обратный порядок добавления лигандов в реакционную смесь давал в основном комплекс 2_5с с выходом 40%.
Комплекс 2 4 менее прочный, чем комплекс 2_3. Кипячение 2 4 с избытком бипиридина приводило к соединению 2_7. Так, при молярном соотношении рутения к бипиридину 1:4, в основном получается комплекс 2_7 (44 %). А при соотношении 1:1,9 главным продуктом реакции является комплекс 2 6 (45 %). Образование соединения 2_7 вызвано разрывом о-связи Кл-С комплекса 2 6 под действием метанола, которая с легкостью замещается 2,2 -бипиридином. Рентгеносгруктурное исследование соединения 2 9 подтверждает последовательное присоединение лигандов к комплексу 2_4. Комплекс 29 был получен взаимодействием 2_4 с эквимолярным количеством бипиридина в MвCN. Интересно, что ацетониртрил-лиганды координированы цис относительно друг друга, а азот бипиридина расположен транс по отношению к ст-связанному углероду диметилбензил амина.
Рентгеноструктурный анализ для комплекса 2 5Ь показал, что геометрия вокруг центрального атома рутения(П) - слегка искаженный октаэдр. Как и в комплексе 2_9, длина связи Яи-Ш больше (2.129(5)А), чем четьфе другие связи Яи-Ы (в среднем 2.075(5)А). Длина связи Нц-С35 равна 2.036(5) А; другие геометрические данные лежат в пределах ожидаемых значений. Структура комплекса 2_5Ъ очень схожа со структурой катиона бис(2,2 -бипиридин)(4-нитро-2-(2-пиридил)фенил)рутений(П) [141].
Образование комплексов 2_6 и 2 9 из 2 4 и 2_3, соответственно, из реакции комплекса 2_2 с фенилпиридином вызвано фотоиндуцируемой диссоциацией г6-бензола, что было доказано с помощью ЯМР и электронной спектроскопии. Хотя комплекс 2_2 и широко используемый реагент, о диссоциации бензола в ацетонитриле при 20 С было неизвестно. Также было обнаружено, что более медленная фотоиндуцируемая диссоциация г6-бензола происходит и для комплекса 2 4.
Синтез редокс-полимера на основе металл ациклических комплексов рутения(П) и поли(1-винилимидазола).
Нами были разработаны два синтетических пути для получения осмациклов [08(рЬру)(1Х)2]РРб (IX = рЬеп апс! 4,4 -Ме2-2,2 -Ьру) (рис. 3.18), используя в качестве стартового материала димер [(гб-СбНб)Оз(ц-С1)С1]2 (3 1). Из литературы известно о циклометаллировании комплексов типа [МНС1(СО)(РРЬз)з] (М = 11и и Оэ) соединением [ (о-СбНдРРЬгЬ] [150]. Мы обнаружили, что реакция трансметаллирования между димером 3_1 и 2-фенилпиридином, циклометаллированного ртутью, [Hg(phpy)2] позволяет получить комплекс 3_2 с выходом 63% (схема 3.18А). В то же время прямая реакция димера 31 с 2-фенилпиридином в ацетонитриле и в присутствии 1ЧаОН в условиях, использованных для синтеза соответствующих рутенациклов, дает не предполагаемый продукт [Озп(рЬру)(МеСМ)4]РГб, как в случае рутения, а комплекс [(г6- СбНб)Оз(рЬру)(МеСК)]РРб с крайне небольшим выходом (16%) (схема 3.18В). Гораздо больший выход в случае использования [Н рЬру)г] предполагает электрофильный механизм для реакций комплекса 31 с 2-фенилпиридином и [ (рИру ]. По сути, использование реагента с лучшей уходящей группой, то есть [Н(рЬру)]+ по сравнению с Н+, делает циклометаллирование более простым. Соединения 3 2 и 3 4 затем превращались в комплексы 3_3а и 3_3ъ путем реакции с соответствующим дииминовым лигандом (рЬеп или 4,4 -Ме2Ьру) в метаноле, используя фактически ту же методику, как и в случае рутения. Г16-связанный бензол замещается дииминовым лигандом в кипящем метаноле. Это делает комплекс 3 2 универсальным стартовым материалом для получения производных циклометаллированных соединений осмия (II). Как и ожидалось, редокс- потенциалы осмациклов 32 и 34 значительно ниже аналогичных циклометаллированных комплексов рутения (табл. 3.2, 3.5). Новые соединения были охарактеризованы с помощью элементного анализа, ПМР, электронной и масс- спектроскопии и циклической вольтамперометрии.
Высокая способность комплексов 3_3а и 3_3b обмениваться электронами с активным центром ГО, т.е. служить медиаторами, продемонстрирована на рис. 3.20. Циклические вольтамперограммы 3_3а в отсутствие и в присутствии ГО и D-глюкозы в водном буфере показывают значительное увеличение тока, когда фермент и D-глюкоза присутствуют в растворе. Рассчитанные константы скорости второго порядка для электронного переноса между электрохимически генерируемым Osm и восстановленной ГО представлены в табл. 4. Как видно, циклометаллированные комплексы осмия (II), устойчивые к замещению лигандов, являются высокореакционноспособными медиаторами ГО. Комплекс 3_3а имеет низкий редокс-потенциал (30 мВ) и высокую константу скорости для межмолекулярного электронного переноса, величина которой (l.lxlO7 М"1 с"1) типична для самых реакционноспособных медиаторов ГО. Дальнейшая «катодная» настройка редокс-потенциала осмациклов была достигнута использованием 4,4 -Me2bpy вместо фенантролинового лиганда. Медиатор 3 3b имеет в действительности очень низкий потенциал (-100 мВ), но это сказывается на его свойствах. Константа скорости кг уменьшается более чем в 10 раз при переходе от 3_3а к 3 3Ь. Надо отметить, что такое уменьшение потенциала медиатора из-за использования более электронодонорного дииминового лиганда не уменьшает реакционную способность рутенациклических медиаторов с кг 107 М"1 с"1 (табл. 1). Однако даже в том случае редокс-потенциал комплекса [Ru(phim)(4,4 -Me2bpy)2]+ все еще заметно выше потенциала флавинадениндинуклеотида ГО (потенциал пары ФАД/ФАДНг равен -0.21 В относительно НВЭ). То есть высоких скоростей электронного обмена с ГО трудно достичь, когда редокс-потенциал медиатора становится ниже, чем потенциал кофактора. Это также подтверждается фактом, что рутенациклы с очень низким потенциалом совсем не обмениваются электронами с ГО (табл. 4). Комплексы [Яи(ЬЬ)2ХУ] (ЬЬ = Ьру, рЬеп; X = С1, Вг, С03 ) являются высокореакционными субстратами пероксидазы из корней хрена. Реакция катализируемого пероксидазой окисления таких комплексов протекает в стехиометрическом соотношении [Ки]:[Н202] = 2:1 и имеет первый порядок по ПХ и комплексам рутения(П). Комплексообразование рутения с производными имидазола понижает редокс-потенциал комплексов рутения и повышает их реакционную способность по отношению к ПХ. Реакционная способность комплексов Ыи11 по отношению к паре ПХ/Н202 заметно падает, когда потенциал комплекса Ки11 оказывается около ИЛИ выше 500 мВ против НКЭ. 2. Разработан новый метод синтеза циклометаллированных комплексов рутения(П) типа [Ки(С Ы)(1Х)2]+ (С Ы = ДТУ-диметилбензиламин, 2-фенилпиридин, 2-(4- толил)пиридин, IX = 2,2 -бипиридин, 4,4 -диметил-2,2 -бипиридин, 1,10-фенантролин, 5,6-диметил-1,10-фенантролин). Метод применим для синтеза разнообразных циклорутенированных комплексов. Впервые получены и охарактеризованы циклометаллированные производные 2-фенилимидазола. 3. Разработан новый метод циклометаллирования 2-фенилпиридина осмием. Впервые синтезированы соединения типа [Оз(рЬру)(1Х)2]РРб (рЬру= 2-фенилпиридин). Полученные соединения охарактеризованы с помощью элементного анализа, ПМР, электронной и масс-спектроскопии. 4. Циклометаллированные комплексы рутения и осмия типа [М(С К)(ЬЬ)2]РР6 обладают крайне высокой реакционной способностью по отношению к глюкозооксидазе и пероксидазе (соответствующие константы скорости второго порядка к3 = 10 М с ). 5. Показана возможность создания высокоэффективных амперомегрических сенсоров на основе циклометаллированных комплексов рутения для определения концентраций глюкозы и пероксида водорода.
