CC BY
2УДК 542.973
Гибридные органо-неорганические материалы в качестве катализаторов-биомиметиков*
М. Лоулоуди, Н. Хадьилиадис
МАРИЯ ЛОУЛОУДИ (MARIA LOULOUDI) — доцент кафедры неорганической химии университета Иоаннины (Греция). Область научных интересов: бионеорганическая химия, биокатализ. E-mail [email protected]
НИК ХАДЬИЛИАДИС (NICK HADJI ¡JADIS) — профессор кафедры неорганической химии университета Иоаннины (Греция), главный редактор журнала «Bioinorganic Chemistry and Applications». Область научных интересов: бионеорганическая химия, ионы металлов в биологических системах, биокатализ. E-mail [email protected]
University of loannina, Department of Chemistry, 456110 loannina, Greece.
Введение
Совмещение хемо- и биокатализа с наукой о материалах открывает пути разработки и создания новых материалов для инновационного использования. Гибридные органо-неорганические композитные материалы — одни из наиболее привлекательных объектов, создаваемых с помощью этой кооперации.
Эти гибриды могут быть получены непосредственно абсорбцией [1] и внедрением [1, 2] органических частиц в глинозем, или инкапсулированием в клетку цеолита [3—6]. Альтернативный метод заключается в закреплении органического компонента за счет координационной [7—9] или ковалентной связи на неорганических [10—12] или органических носителях [13—17].
Ковалентное связывание многих органических соединений с поверхностью силикагеля было достигнуто химическим модифицированием носителя органическими функциональными группами [18]. В качестве связующих звеньев использовали функциональные алкоксисиланы, такие как 3-аминопроп:илтри-этоксисилан [19], 3-сульфанилпропилтриметоксисилан [20], моноэтоксидиметилсилилбутаналь [21], циано-этилтриэтоксисилан [22], 3-(триэтоксисилил)проп:ил-изоцианат [23], (З-глицидилоксипропил)триметокси-силан [24] или иодопропилтриметоксисилан [25]. Чтобы расширить ограниченный набор доступных сила-нов, часто приходится включать как необходимую стадию синтеза модифицирование функциональных групп, привитых на поверхности силикагеля («сборка на поверхности») [26].
Кроме того, мощным инструментом создания новых гибридных органо-неорганических материалов является золь-гель метод [27]. Подходящие полисилоксановые каркасы (гибридные полимеры) могут быть получены в мягких низкотемпературных условиях. Одновременная соконденсация силан-функциональных комплексов металлов или лигандов с различными алкоксисиланами позволяет получить материалы, реакционные центры которых, как правило, однородно распределены по химически и термически инертной матрице [27—28].
* Перевод с английского В.С.Спиридонова
С другой стороны, одна из основных задач гомогенного катализа — отделение катализатора от реакционной смеси. Этот процесс приводит к потере большого количества элюента и требует значительных энергозатрат. Выделение дорогостоящего катализатора может также сопровождаться его разложением. Таким образом, желательно исключить этот процесс. Это о 11 I i из важнейших целей современных каталитических исследований [29—30].
Один из путей решения задачи — приготовление гетерогенных катализаторов. Их использование обеспечивает возможность извлечения катализатора из реакционной среды и его переработку многими способами. Природа активных центров традиционных гетерогенных катализаторов не отличается разнообразием. Поэтому велика потребность в разработке гибридных органо-неорганических материалов для использования в качестве гетерогенных катализаторов. Здесь мы кратко представляем наш вклад в исследования этого направления, сделанный на Химическом факультете Университета Иоаннины в Греции [29—30].
Новые композитные материалы и их применение в катализе
Мы предложили создать гибридные органо-неорганические материалы, в которых органические лиганды, образуя часть каркаса, имитируют различные металлоферменты. Поэтому полученные материалы состоят из органической части (синтезированного лиганда-биомиметика) и неорганического носителя (силикагеля).
Кремнийорганические комплексы Cu(II) на основе гистидин-силанового производного. Синтез нового гистидин-силанового производного, Boc-His(Boc)-CONH-(CH2)3Si(OEt)3, описан ранее [31]. Этот мономер был получен взаимодействием Boc-His(Boc)OH с изо-бутилхлорформиатом в присутствии N-метил-морфолина (N-MM); полученный активный интерме-диат связывался с 3-аминопропилтриэтоксисиланом. Нерастворимые полимеры были получены гидролизом и соконденсацией реакционной смеси с Si(OEt)4 в
Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2004, т. Л7, VIII, М> 4
Вос-Шз(Вос)ОН + С1СООСН2СН(СН3)2
и-мм
тот
Вос-Ш5(Вос)-СОО-СООСН2СН(СН3)2
Н2Н(СН2)381(ОЕ(:)3
Вос-Ш5(ВОС)-СО-НН-(СН2)381(ОЕ1)3 + СО, + (СН3)2СНСН2ОН
а) Соконденсация с 81(ОЕг)4
или
б) + силикагель
Вос-Ш5(Вос)-СО-МН-(СН2)381
8102
//////
.о—
он
$¡0,
40% СР3СООН в СН2С12
Ш5-СО-МН-(СН2)381
\ А
Схема 1
двухфазной системе ТГФ—Н20 или прививкой вышеуказанного мономера к поверхности кремнезема. Синтез гибридных органо-неорганических материалов завершали удалением кислотной защиты Вое-групп гистидина [31—32]. Полученные кремнийорганиче-ские системы содержали гистидин, ковалентно привитый на силикагельную матрицу. Полный синтез приведен на схеме 1.
Для детального описания микроокружения атома меди в новом материале применяли методы 1П-ЕБЕЕМ и 20-НУ8С(ЖЕ, что было интересно и с точки зрения спектральных исследований [31—32]. Этими методами показано, что в полученных комплексах Си(П) атом меди координирован с двумя неэквивалентными группами имидазола в гистидине.
Комплексы Си(П) испытывали в качестве катализаторов окисления 3,5-ди-т/>ет-бутилпирокатехина (ДТБК). При этом образуется 3,5-ди-т/>ет-бутилхинон (ДТБХ) в присутствии молекулярного кислорода [31—32]. Оценивая их каталитические свойства, мы обнаружили, что комплексы хорошо регенерируются и проявляют высокую катехолазную активность в присутствии 02. При значительном числе каталитических циклов имеет место
ею,
хорошии выход продуктов реакции. Кроме того, материалы устойчивы и легко синтезируются.
По нашему мнению данная работа представляет общий подход к химическому моделированию активных центров медьсодержащих белков. Представляется интересным опробовать этот подход на моделях пептидов с тем, чтобы имитировать активные центры других метагшо-ферментов.
Комплексы Си(П) с основаниями Шиффа. В
каталитическом окислении комплексы переходных металлов с такими полиден-татными лигандами, как основания Шиффа, часто обнаруживают структурные или функциональные свойства негемовых ферментов. В связи с этим были синтезированы два макроациклических ли ганда с ЗЫ, 20 и, соответственно, 5Ы донорными атомами конденсацией, дающей основания Шиффа. Первое основание Шиффа (схема 2) получали конденсацией диэтилен-триамина и 1,3-дифенилпропан-1,3-диона нетемплат-ным методом, мольное отношение диэтилентриамин : Р-дикетон = 1:2. Затем синтезированный лиганд взаимодействовал с (З-глицидилоксипропил)триметок-сисиланом в сухом толуоле, образуя З-пропокси-2-гидроксипропилсилановый заместитель на вторичной аминогруппе. Прекурсор наносили на 810) путем его взаимодействия при 80 °С в течение 24 ч. В результате получили гибридный органо-неорганический материал (схема 2) [33].
Кроме того, взаимодействие того же лиганда с 3-аминопропилтриэтоксисиланом (АПТЭС) приводит к образованию второго силанпроизводного и следовательно обеспечивает другой способ ковалентной иммобилизации основания Шиффа на кремнеземной матрице (схема 3). Реакцию проводили в сухом толуоле при 80 °С, мольное соотношение лиганд : АПТЭС — 1 : 1,9. Прививка органических макромолекул была доказана спектральными и аналитическими методами. Тем не менее, отмечено так-
ш,
2 С6Н5-СО-СН,-СО-С6Н5
БЮ-
СН2ОСН2СН28КОЕ0з
ЕЮН, 80 С
БЮ,
N ОН
\ НО С
N ОН
Схема 2
I \/ \
Н,Ы N мн,
н
2 Р>Н5-С0-СН2-С0-Р>Н5
ЕЮН, 80 "С
БГО,
БЮ,
Схема 3
же присутствие свободных первичных аминогрупп. Это указывает на прививку малых количеств АПТЭС на 8Ю2. Чтобы предотвратить хемосорбцию металла этими ЫН2-группами, мы дезактивировали их в реакции ацетилиро-вания (схема 3) [33].
Согласно ЭПР данным, органические и гетероге-низированные лиганды образовывали с медью(П) двуядерные комплексы [33].
Каталитическое окисление 3,5-ди-т/>ет-бутил-
X < \
Си+2 >и+2
+2с^\ .Си+
+ 2 Ме°Н
°
Схема 4
пирокатехина молекулярным кислородом исследовали с использованием гомогенных и гетерогенизирован-ных двуядерных комплексов меди в качестве катализаторов. Окисление проводили в метанольном растворе, содержащем 10 или 100 эквивалентов триэтиламина при соотношении [катализатор] : [основание] : [ДТБК] равном 0,3 : 3 : 200 или 0,3 : 30 : 200 с использованием кислорода воздуха в качестве окислителя. Исследованные комплексы являются весьма эффективными катализаторами окисления ДТБК преимущественно в 3,5-ам-трет-бутилхинон. Однако в ходе процесса был также обнаружен о/гао-семихиноновый
°
+ 2 НХ соответствии с предыдущими работами [33 и ссылки в ней], предложен возможный каталитический цикл окисления ДТБК (схема 4). Механизм включает образование двуядерного комплекса ме-ди(1), образование ц-пероксочастиц в результате оксигенирования и, соответственно, образование двуядерного комплекса меди(П), в котором атомы металла связаны, возможно, мостиковыми меток-сигруппами. В ходе окислительно-восстановительного процесса происходит окисление ДТБК с образованием ДТБХ. Комплексы меди(П), иммобилизованные на модифицированном силикагеле, обеспе-
°2
версию ДТБК, чем гомогенные [33].
Композитный материал на основе комплекса Мп(П). Иммобилизацией катализаторов окисления — биомиметиков — на неорганических носителях можно получать легко выделяемые катализаторы и более региоселективные системы. Так, комплекс марганца(П) с основанием Шиффа гетерогенизировали внедрением в монтмориллонит Ценит-Ы. Введение гомогенных комплексов марганца(П) в межслойное пространство алюмосиликата выполнено по катионообменному методу (схема 5, жирные линии отображают пластинки глины) [34].
Полученный композитный материал — марганец(П) на глине, был испытан в качестве катализатора окисления. Было показано, что он обладает хорошей каталитической активностью в реакции эпок-
2 Н2° +
Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2004, т. Л7, VIII, М> 4
12,2 А
На
Мп2Ь2Вг4
13.7А I Мп2Ь2Вг4 + Ыа+
где Ь:
г\и г\и
Н сг 2'а Л< т ^СН-,
Схема 5
сидирования алкенов при использовании пероксида водорода в качестве окислителя [34]. Окисление проводили в смеси СН3СОСН3 : СН3ОН (объемное соотношение 0,6 : 0,25), мольное соотношение катализатор : окислитель : сокатализатор : субстрат составляло 1 : 2000 : 1000 : 1000. Ацетат аммония оказался эффективным сокатализатором, его присутствие необходимо для включения Н202 в эффективный процесс эпокси-дирования алкенов. Необходимо отметить, что композитный катализатор оказался стабильным и регенерируемым в рабочих условиях. Отфильтрованный катализатор, промытый метанолом после окончания эпок-сидирования, был столь же активен, как и в начале эксперимента.
Сравнивая эффективность гетерогенизированной системы с гомогенным катализатором Мп2Ь2Вг4 в тех же условиях [35], мы отметили что катализатор, содержащий комплекс Мп(П), сохраняет в основном свою эффективность в мон-тмориллонитовой глине. Это говорит о том, что неорганический носитель не способствует дисмутации Н202 вместо реакции эпоксидирования. Кроме того, неорганический носитель демонстрирует высокую
склонность к эпоксидирова-нию цис-стильбена, в то же время активно препятствуя эпоксидированию стирола [34, 35].
Катализаторы на основе иммобилизованных биомолекул.
Биоиммобилизация — революционный путь использования биомолекул для электрохимического и оптического распознавания и катализа. Недавно мы разработали достаточно удобный одностадийный синтез для привязывания витамина В! к поверхности кремнезема через фосфатную группу. В новом методе не требуется дополни-
тельного функционального спейсера, что позволяет кова-лентно гетерогенизировать широкий круг биомолекул [36]. Приготовление иммобилизованного биокатализатора ТРР представлено на схеме 6.
Тиамин и тиаминзависимые ферменты катализируют декарбоксилирование пирувата в модельных системах, не содержащих белок. Определение каталитических свойств новых материалов показало, что иммобилизованный ТРР остается неизмененным (интактным) после его закрепления в мягких условиях и более того, он является даже более эффек-
|\ \!) 0!М)(, ЧЮ; хБЮг Схема 7
тивным биокатализатором, чем его гомогенный аналог [36].
Мы распространили вышеуказанный метод синтеза для ковалентной привязки НАД ' на поверхность силикагеля. Ковалентное присоединение биомолекулы НАД' было осуществлено через его фосфатную группу. Таким образом получен функциональный биоматериал (схема 7) [37].
Что касается насыщения поверхности иммобилизованным НАД'. то эта методика дает относительно низкое содержание биомолекул. Однако, это обстоятельство не ограничивает прикладной потенциал метода, а скорее благоприятствует ему, давая новые возможности для дальнейшего модифицирования силикагеля [37]. С этой точки зрения данный метод представляет собой основу для конструирования бифункциональных реакторов со слоем носителя с целью создания аналогов ферментных систем.
ЛИТЕРАТУРА
1. Barloy L., Lallier J.P., Battioni P., Mansuy D., Piffard Y., Tournoux M., Valim J.B., Jones W. New J. Chem., 1992, v. 16, p. 71.
2. Kameyama H., Suzuki H, Amano A. Chem. Lett., 1988, p. 1120.
3. Herron N., Stucky G.D., Tolman C.A. J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1986, p. 1521.
4. Knops-Gerrits P.P., De Vos D., Thibault-Starzyk F., Jacobs P.A. Nature, 1994, v. 369, p. 543.
5. De Vos D.E., Meinershagen J.L., Bein T. Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 1996, v. 35, p. 2211.
6. De Vos D., Bein T.J. Am. Chem. Soc., 1997, v. 119, p. 9460.
7. Campestrini S., Meunier B. Inorg. Chem., 1992, v. 31, p. 1999.
8. Cooke P.R., Lindsay Smith J.R. J. Chem. Soc. Perkin Trans. I, 1994, p. 1913.
9. Butterworth A.J., Clark J.H., Walton P. H., Barlow S.J. J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1996, p. 1859.
W. Battioni P., Bartoli J.F., Mansuy D., Byun Y.S., Traylor T.G. Ibid., 1992, p. 1051.
11. Battioni P., Cardin E., Louloudi M., Schöllhorn В., Spyrou-lias G.A., Mansuy D., Traylor T.G. Ibid., 1996, p. 2037.
12. Rao S.Y.V, De Vos D.E., Bein T., Jacobs P.A. Ibid., 1997, p. 355.
13. Drago R.S., Gaul J., Zombeck A., Straub D.K. J. Am. Chem. Soc., 1980, v. 102, p. 1033.
14. Van der Made A.W., Smeets J.W.H., Nolte R.J.M., Drenth W.J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1983, p. 1204.
15. Salhi S., Vernieres M.C., Bied-Charreton C., Faure J., Revillon A. New J. Chem., 1994, v. 18, p. 783.
16. Fujii Y., Ebina F., Yanagisawa M., Matsuoka //., Kato T. J. Inorg. Organomet. Polym., 1994, v. 4, p. 273.
17. Krebs J.F., Borovik A.S. J. Am. Chem. Soc., 1995, v. 117, p. 10593.
18. Price P.M., Clark J.H., Macquarrie D.J. J. Chem. Soc., Dalton Trans., 2000, p. 101.
19. Weetall H.H. In Methods in Enzymology. Ed. K. Mosbach. New York: Academic Press, 1976, v. 44, p. 134—148.
20. Bhatia S.K, Shriver-Lake L.C., Georger J.H., Calvert J.M., Bredehorst R., Ligler FS. Anal. Biochem., 1989, v. 178, p. 408.
21. Brüning C., Grobe J. Chem. Comm., 1995, p. 2323.
22. Butterworth A.J., Clark J.H., Walton P.H., Barlow S.J. Ibid., 1996, p. 1859.
23. Kloster G.M., Taylor C. M., Watton S.P. Inorg. Chem., 1999, v. 38, p. 3954.
24. Subba Rao Y.V, De Vos D.E., Bein T., Jacobs P.A. Chem. Comm., 1997, p. 355.
25. Clarke R.J., Shannon I.J. Ibid., 2001, p. 1936.
26. Clark J.H., Macquarrie D.J. Ibid., 1998, p. 853.
27. Brinker C.J., Scherer G. W. Sol-Gel Science. New York: Academic Press, 1990.
28. Wilkes G.L.; Huang II., Glacer H. In «Silicon-Based Polymer Science». Eds. J.M. Ziegler, F.W.G. Fearon. Adv. Chem. Ser., Amer. Chem. Soc., Washington D.C., 1990, № 224, p. 207.
29. Wight A.P., Davis M.E. Chem. Rev., 2002, v. 102, p. 3589.
30. De Vos D.E., Dams M., Sets B.F., Jacobs P.A. Ibid., 2002, v. 102, p. 3615.
31. Louloudi M., Deligiannakis Y., Hadjiliadis N. Inorg. Chem., 1998, v. 37, p. 6847.
32. Louloudi M., Deligiannakis Y., Hadjiliadis N. J. Inorg. Biochem., 2000, v. 79, p. 93.
33. Louloudi M., Mitopoulou K., Evaggelou E., Deligiannakis Y., Hadjiliadis N. J. Mol. Cat. A, 2003, v. 198, p. 231.
34. Gournis D., Louloudi M., Karakassides M.A., Kolokytha Ch., Mitopoulou K, Hadjiliadis N. Mater. Sei. Engin. C, 2002, v. 22, p. 113.
35. Louloudi M., Kolokytha Ch., Hadjiliadis N. J. Mol. Catal. A, 2002, v. 180, p. 19.
36. Vartzouma Ch., Louloudi M., Butler I.S., Hadjiliadis N. Chem. Commun., 2002, p. 522.
37. Vartzouma Ch., Louloudi M., Prodromidis M., Hadjiliadis N. Mater. Sei. Engin. C, 2004, v. 24, p. 473.
