Title

水溶性雙亞硝基鐵硫錯合物及四亞硝基雙鐵硫錯合物的合成與反應機構探討

Translated Titles

The Synthetic Water-Soluble Dinitrosyl Iron Complexes (DNICs) and Roussin's Red Esters (RREs)

Authors

呂忠諺

Key Words

中性四亞硝基雙鐵硫錯合物 ; 半胱胺 ; 一氧化氮 ; 雙亞硝基鐵硫錯合物 ; DNICs ; RREs ; rREE

PublicationName

清華大學化學系所學位論文

Volume or Term/Year and Month of Publication

2013年

Academic Degree Category

博士

Advisor

廖文峯

Content Language

英文

Chinese Abstract

實驗中主要以電子結構為{Fe(NO)2}10的Fe(CO)2(NO)2做為起始物,分別和不同取代基的硫醇化合物半胱胺 (HS(CH2)2NH2)、2-巰基乙醇 (HS(CH2)2OH)及苯硫酚(HS(C5H6))進行反應,探討改變末端官能基的路易士酸鹼性後,對反應機制所造成的影響。反應過程與結果是利用紅外線光譜儀、紫外光/可見光電子吸收光譜儀、電子順磁共振光譜儀、超導量子干涉磁量儀、X光吸收近邊緣結構光譜儀及單晶X光繞射儀等進行鑑定。在反應過程中可觀察到的電子結構為{Fe(NO)2}10-{Fe(NO)2}10並以CO做為橋接基的中性四亞硝基雙鐵硫錯合物,成功得到[(μ-CO)(μ-S(CH2)2NH3)Fe2(NO)4] (1-NH3)及[(μ-CO)(μ-S(CH2)2OH2)Fe2(NO)4] (1-OH2)等利用H+做為陽離子的中性錯合物晶體結構。此結果亦說明相較於苯硫酚,半胱胺與2-巰基乙醇上除了有具有路易士鹼的胺基(-NH2)及醇基(-OH)可助於穩定H+外,且烷基硫醇的推電子能力較好,有利於穩定其錯合物雙鐵中心因橋接CO的π back-bonding的效應所產生較為缺電子的環境。因苯硫酚無上述條件,導致其熱穩定性較差,因此只能觀察到其光譜訊號,而無法得到晶體結構。此外也發現錯合物1-NH3在氧化後和當量半胱胺進行反應後,可成功合成電子結構為{Fe(NO)2}9-{Fe(NO)2}10中性的還原態四亞硝基雙鐵硫錯合物(reduced Roussin’s Red Ester; rRRE) [(μ-S(CH2)2NH2)(μ-S(CH2)2NH3)Fe2(NO)4] (2),此可說明生物體內蛋白質結構中的鐵硫簇錯合物和一氧化氮進行反應後,若有rRRE的結構產生,可利用胺基抓取H+,有效穩定其結構。而rRRE 2的氧化機制除了和氧氣反應後,會生成電子結構為{Fe(NO)2}9-{Fe(NO)2}9 的RRE [(μ-S(CH2)2NH2)2Fe2(NO)4] (3)外,也可藉自身的氧化來還原二硫化二苯(Diphenyl disulfide)並伴隨雙亞硝基鐵硫錯合物(Dinitrosyl Iron complexes; DNICs)的生成,此亦說明蛋白質內rRRE和鄰近雙硫鍵反應的可能性.綜合上述結論,其結果可說明經由Fe(CO)2(NO)2與硫醇基團(HSR)反應生成電子結構為{Fe(NO)2}9-{Fe(NO)2}9 RRE的過程,並不是由metal-hydride的氧化加成並伴隨還原脫去產生氫氣的路徑,而是取代基與效應伴隨著氧化脫水的結果:{Fe(NO)2}10-{Fe(NO)2}10 [(μ-CO)(μ-SR)Fe2(NO)4] ‒ → {Fe(NO)2}9-{Fe(NO)2}10 [(μ-SR)2Fe2(NO)4]‒ → {Fe(NO)2}9-{Fe(NO)2}9 [(μ-SR)2Fe2(NO)4]。此外也利用RRE 3和上述硫醇化合物再次進行反應,可精準的合成一系列電子組態{Fe(NO)2}9的不對稱雙亞硝基鐵硫錯合物DNICs,並進一步形成不對稱的rRRE結構,而其中2-巰基乙醇及半胱氨酸取代的不對稱DNICs,因具有良好的水溶性,故可進一步做為後續心血管與腫瘤等生化相關研究的起始材料。

English Abstract

Transformation of {Fe(NO)2}10 dinitrosyl iron complex (DNIC) Fe(CO)2(NO)2 into [{Fe(NO)2}9]2 Roussin’s red ester (RRE) [(μ-S(CH2)2NH2)Fe(NO)2]2 (3) triggered by cysteamine via the reaction pathway (intermediates) [{Fe(NO)2}10]2 [(NO)2Fe(μ-CO)(μ-S(CH2)2NH3)Fe(NO)2] (1-NH3) → {Fe(NO)2}9-{Fe(NO)2}10 [(NO)2Fe(μ-S(CH2)2NH2)(μ-S(CH2)2NH3)Fe(NO)2] (2) → RRE 3 was demonstrated. The 1-NH3-to-¬2-to-3 conversion is promoted by proton transfer followed by O2 oxidation and deprotonation. Additionally, study on facile conversion of complex 3 to complexes [(SR)(S(CH2)2NH3)Fe(NO)2] (SR = 2-aminoethanethiolate (4), benzenethiolate (6)) and [(CysS))(S(CH2)2NH3)Fe(NO)2] (7) via reacting with thiols and the further utility of complex 6 as a template for synthesizing mixed-thiolate-containing rRRE [(μ-SC6H5)(μ-S(CH2)2NH3)Fe2(NO)4] (9) provide the methodology for syntheses and isolation of neutral, pure cysteine-/mixed-thiolate- containing DNIC/RRE. Compared to the conversion of complex 2 to complex 3 via reacting with O2, diphenyl disulfide triggered the oxidation of complex 2 to lead to the formation of the neutral {Fe(NO)2}9 DNIC 6 and RRE 3. S–S bond activation of diphenyl disulfide by reduced RRE 2 (rRRE) may support the decay (oxidation) of rRRE species in ToMOC via the reduction of adjacent protein residues such as cystins, proposed by Lippard.

Topic Category 基礎與應用科學 > 化學
理學院 > 化學系所
Reference
  1. 1. Koshland, D. E. J., Science 1992, 258, 1861.
    連結:
  2. 3. Szaciłowski, K.; Chmura, A.; Stasicka, Z., Coord. Chem. Rev. 2005, 249, 2408-2436.
    連結:
  3. 6. McCleverty, J. A., Chem. Rev. 2004, 104, 403-418.
    連結:
  4. 8. Stuehr, D. J., Biochim. Biophys. Acta 1999, 1411, 217-230.
    連結:
  5. 32. Welter, R.; Yu, L.; Yu, C.-A., Arch. Biochem. Biophys. 1996, 331, 9-14.
    連結:
  6. 41. Tinberg, C. E.; Tonzetich, Z. J.; Wang, H.; Do, L. H.; Yoda, Y.; Cramer, S. P.; Lippard, S. J., J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 18168-18176.
    連結:
  7. 52. Bain, G. A.; Berry, J. F., J. Chem. Educ. 2008, 85, 532-536.
    連結:
  8. 54. (a) Chen, Y.-J.; Ku, W.-C.; Feng, L.-T.; Tsai, M.-L.; Hsieh, C.-H.; Hsu, W.-H.; Liaw, W.-F.; Hung, C.-H.; Chen, Y.-J., J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 10929-10938; (b) Wang, R.; Camacho-Fernandez, M. A.; Xu, W.; Zhang, J.; Li, L., Dalton Trans. 2009, 5, 777-786; (c) Hayter, R. G.; Williams, L. F., Inorg. Chem. 1964, 3, 717-719.
    連結:
  9. 55. Chen, C.-H.; Chiou, S.-J.; Chen, H.-Y., Inorg. Chem. 2010, 49, 2023-2025.
    連結:
  10. 57. Harrop, T. C.; Song, D.; Lippard, S. J., J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 3528-3529.
    連結:
  11. 62. McDonald, C.-C.; Phillips, W. D.; Mower, H. F., J. Am. Chem. Soc. 1965, 87, 3319-3326.
    連結:
  12. 64. Lequin, R. M., Clin. Chem. 2005, 51, 2415-2418.
    連結:
  13. 65. Cheng, Y.-C.; Prusoff, W. H., Biochem. Pharmacol. 1973, 22, 3099-3108.
    連結:
  14. 2. Rosselli, M.; Keller, P. J.; Dubey, R. K., Hum. Reprod. 1998, 4, 3-24.
  15. 4. Stamler, J. S.; Singel, D. J.; Loscalzo, J., Science 1992, 258 1898-1902.
  16. 5. (a) Bartberger, M. D.; Liu, W.; Ford, E.; Miranda, K. M.; Switzer, C.; Fukuto, J. M.; Farmer, P. J.; Wink, D. A.; Houk, K. N., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2002, 99, 10958-10963; (b) Connelly, N. G.; Geiger, W. E., Chem. Rev. 1996, 96, 877-910.
  17. 7. Tsai, M.-L.; Chen, C.-C.; Hsu, I.-J.; Ke, S.-C.; Hsieh, C.-H.; Chiang, K.-A.; Lee, G.-H.; Wang, Y.; Chen, J.-M.; Lee, J.-F.; Liaw, W.-F., Inorg. Chem. 2004, 43, 5159-5167.
  18. 9. (a) Alderton, W. K.; Cooper, C. E.; Knowles, R. G., Biochem. J. 2001, 357, 593-615; (b) Daff, S., Nitric Oxide 2010, 23, 1-11.
  19. 10. Zhang, S.; Chen, J.; Wang, S., Brain Res. 1998, 801, 101-106.
  20. 11. (a) Shesely, E. G.; Maeda, N.; Kim, H.-S.; Desai, K. M.; Krege, J. H.; Laubach, V. E.; Sherman, P. A.; Sessa, W. C.; Smithies, O., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1996, 93, 13176-13181; (b) Huang, P.-L.; Huang, Z.; Mashimo, H.; Bloch, K. D.; Moskowitz, M. A.; Bevan, J. A.; Fishman, M. C., Nature 1995, 377, 239-242.
  21. 12. Ridnour, L. A.; Thomas, D. D.; Switzer, C.; Flores-Santana, W.; Isenberg, J. S.; Ambs, S.; Roberts, D. D.; Wink, D. A., Nitric Oxide 2008, 19, 73-76.
  22. 13. Sonveaux, P.; Jordan, B. F.; Gallez, B.; Feron, O., Eur. J. Cancer 2009, 45, 1352-1369.
  23. 14. Park, S. J.; Ahn, T. S.; Cho, S. W.; Kim, C. J.; Jung, D. J.; Son, M. W.; Bae, S. H.; Shin, E. J.; Lee, M. S.; Kim, C. H.; Baek, M. J., J. Korean Soc. Coloproctol. 2012, 28, 27-34.
  24. 15. Huerta, S.; Chilka, S., Int. J. Oncol. 2008, 33, 909-927.
  25. 16. Fukumura, D.; Kashiwagi, S.; Jain, R. K., Nat. Rev. Cancer 2006, 6, 521-534.
  26. 17. (a) Chiang, C. Y.; Darensbourg, M. Y., J. Biol. Inorg. Chem. 2006, 11, 359-370; (b) Tsai, M. L.; Liaw, W. F., Inorg. Chem. 2006, 45, 6583-6585.
  27. 18. (a) Singh, S. P.; Wishnok, J. S.; Keshive, M.; Deen, W. M.; Tannenbaum, S. R., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1996, 93, 14428-14433; (b) Hao, G.; Derakhshan, B.; Shi, L.; Campagne, F.; Gross, S. S., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2006, 103, 1012-1017.
  28. 19. (a) Grossi, L.; Montevecchi, P. C., Chem. Eur. J. 2002, 8, 380-387; (b) Wang, P.-G.; Xian, M.; Tang, X.; Wu, X.; Wen, Z.; Cai, T.; Janczuk, A. J., Chem. Rev. 2002, 102, 1091-1134.
  29. 20. (a) Al-Sa'doni, H.; Ferro, A., Clin. Sci. 2000, 98, 507-520; (b) Stubauer, G.; Giuffrè, A.; Sarti, P., J. Biol. Chem. 1999, 274, 28128-28133.
  30. 21. McDonald, C. C.; Phillips, W. D.; Mower, H. F., J. Am. Chem. Soc. 1965, 87, 3319-3326.
  31. 22. Suryo Rahmanto, Y.; Kalinowski, D. S.; Lane, D. J.; Lok, H. C.; Richardson, V.; Richardson, D. R., J. Biol. Chem. 2012, 287, 6960-6968.
  32. 23. (a) Landry, A. P.; Duan, X.; Huang, H.; Ding, H., Free Radic Biol. Med. 2011, 50, 1582-1590; (b) Vanin, A. F., Nitric Oxide 2009, 21, 1-13.
  33. 24. (a) Mülsch, A.; Mordvintcev, P.; Vanin, A. F.; Busse, R., FEBS LETT. 1991, 249, 252-256; (b) Severina, I. S.; Bussygina, O. G.; Pyatakova, N. V.; Malenkova, I. V.; Vanin, A. F., Nitric Oxide 2003, 8, 155-163.
  34. 25. Vanin, A. F.; Serezhenkov, V. A.; Mikoyan, V. D.; Genkin, M. V., Nitric oxide 1998, 2, 224-234.
  35. 26. Cesareo, E.; Parker, L. J.; Pedersen, J. Z.; Nuccetelli, M.; Mazzetti, A. P.; Pastore, A.; Federici, G.; Caccuri, A. M.; Ricci, G.; Adams, J. J.; Parker, M. W.; Lo Bello, M., J. Biol. Chem. 2005, 280, 42172-42180.
  36. 27. Boese, M.; Mordvintcev, P. I.; Vanin, A. F.; Busse, R. M., J. Biol. Chem. 1995, 270, 29244-29249.
  37. 28. Sellers, V. M.; Johnson, M. K.; Dailey, H. A., Biochemistry 1996, 35, 2699-2704.
  38. 29. Cruz-Ramos, H.; Crack, J.; Wu, G.; Hughes, M. N.; Scott, C.; Thomson, A. J.; Green, J.; Poole, R. K., EMBO J. 2002, 21, 3235-3244.
  39. 30. Lee, M.; Arosio, P.; Cozzi, A.; Chasteen, N. D., Biochemistry 1994, 33, 3679-3687.
  40. 31. Kennedy, M. C.; Antholine, W. E.; Beinert, H., J. Biol. Chem. 1997, 272 20340-20347.
  41. 33. Pedersen, J. Z.; De Maria, F.; Turella, P.; Federici, G.; Mattei, M.; Fabrini, R.; Dawood, K. F.; Massimi, M.; Caccuri, A. M.; Ricci, G., J Biol Chem 2007, 282, 6364-6371.
  42. 34. Branca, M.; Culeddu, N.; Fruianu, M.; Marchettini, N.; Tiezzi, E., Magn. Reson. Chem. 1997, 35, 687-690.
  43. 35. Tsou, C.-C.; Lu, T.-T.; Liaw, W.-F., J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 12626-12627.
  44. 36. Tonzetich, Z. J.; McQuade, L. E.; Lippard, S. J., Inorg. Chem. 2010, 49, 6338-6348.
  45. 37. Tsai, M.-C.; Tsai, F.-T.; Lu, T.-T.; Tsai, M.-L.; Wei, Y.-C.; Hsu, I.-J.; Lee, J.-F.; Liaw, W.-F., Inorg. Chem. 2009, 48, 9579-9591.
  46. 38. Dahl, L. F.; de Gil, E. R.; Felthamlb, R. D., J. Am. Chem. Soc. 1969, 91, 1653-1664.
  47. 39. Crack, J. C.; Smith, L. J.; Stapleton, M. R.; Peck, J.; Watmough, N. J.; Buttner, M. J.; Buxton, R. S.; Green, J.; Oganesyan, V. S.; Thomson, A. J.; Le Brun, N. E., J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 1112-1121.
  48. 40. (a) Hung, M.-C.; Tsai, M.-C.; Lee, G.-H.; Liaw, W.-F., Inorg. Chem. 2006, 45, 6041-6047; (b) Yeh, S.-W.; Lin, C.-W.; Li, Y.-W.; Hsu, I.-J.; Chen, C.-H.; Jang, L.-Y.; Lee, J.-F.; Liaw, W.-F., Inorg. Chem. 2012, 51, 4076-4087.
  49. 42. Lu, T.-T.; Tsou, C.-C.; Huang, H.-W.; Hsu, I.-J.; Chen, J.-M.; Kuo, T.-S.; Wang, Y.; Liaw, W.-F., Inorg. Chem. 2008, 47, 6040-6050.
  50. 43. (a) Miller, S. L.; Schlesinger, G., J. Mol. Evol. 1993, 36, 302-307; (b) Stipanuk, M. H., Ann. Rev. Nutr. 1986, 6, 179-209.
  51. 44. (a) Aruoma, O. I.; Halliwell, B.; Hoey, B. M.; Butler, J., Biochem. J. 1988, 256, 251-255; (b) Bacq, Z. M.; Dechamps, G.; Fischer, P.; Herve, A.; Le Bihan, H.; Lecomte, J.; Pirotte, M.; Rayet, P., Science 1953, 117, 633-636; (c) Ambroż, H. B.; Kornacka, E. M.; Przybytniak, G. K., Radiat. Phys. Chem. 2004, 70, 677-686; (d) Rudneva, T. N.; Sanina, N. A.; Lyssenko, K. A.; Aldoshin, S. M.; Antipin, M. Y.; Ovanesyan, N. S., Mendeleev Commun. 2009, 19, 253-255.
  52. 45. (a) Wan, X. M.; Zheng, F.; Zhang, L.; Miao, Y. Y.; Man, N.; Wen, L. P., Int. J. Cancer 2011, 129, 1087-95; (b) Jeitner, T. M.; Renton, F. J., Cancer Lett. 1996, 103, 85-90.
  53. 46. (a) Ddeoglu, A.; Kubilus, J. K.; Jeitner, T. M.; Matson, S. A.; Bogdanov, M.; Kowall, N. W.; Matson, W. R.; Cooper, A. J.; Ratan, R. R.; Beal, M. F.; Hersch, S. M.; Ferrante, R. J., J. Neurosci. 2002 22, 8942-8950; (b) Dohil, R.; Gangoiti, J. A.; Cabrera, B. L.; Fidler, M.; Schneider, J. A.; Barshop, B. A., J. Pediatr 2010, 156, 823-827; (c) Min-Oo, G.; Fortin, A.; Poulin, J. F.; Gros, P., Antimicrob. Agents Chemother. 2010, 54, 3262-3270.
  54. 47. (a) Fleischer, H.; Dienes, Y.; Mathiasch, B.; Schmitt, V.; Schollmeyer, D., Inorg. Chem. 2005, 44, 8087-8096; (b) Kretschmer, R.; Gessner, G.; Gorls, H.; Heinemann, S. H.; Westerhausen, M., J. Inorg. Biochem. 2011, 105, 6-9; (c) Raorane, D. A.; Lim, M. D.; Chen, F. F.; Craik, C. S.; Majumdar, A., Nano Lett. 2008, 8, 2968-2974.
  55. 48. Riauba, L.; Niaura, G.; Eicher-Lorka, O.; Butkus, E., J. Phys. Chem. A. 2006, 110, 13394-13404.
  56. 49. (a) Wecksler, S. R.; Hutchinson, J.; Ford, P. C., Inorg. Chem. 2006, 45, 1192-1200; (b) Hung, M.-C.; Tsai, M.-C.; Lee, G.-H.; Liaw, W.-F., Inorg. Chem. 2006, 45, 6041-6047; (c) Wecksler, S. R.; Mikhailovsky, A.; Korystov, D.; Buller, F.; Kannan, R.; Tan, L.-S.; Ford, P. C., Inorg. Chem. 2007, 46, 395-402.
  57. 50. Vanin, A. F.; Mokh, V. P.; Serezhenkov, V. A.; Chazov, E. I., Nitric Oxide 2007, 16, 322-330.
  58. 51. (a) Klein, A.; Mering, Y. V.; Uthe, A.; Butsch, K.; Schaniel, D.; Mockus, N.; Woike, T., Polyhedron 2010, 29, 2553-2559; (b) Hedberg, L.; Hedberg, K.; Satija, S. K.; Swanson, B. I., Inorg. Chem. 1985, 24, 2766-2771.
  59. 53. Solomon, E. I.; Hedman, B.; Hodgson, K. O.; Dey, A.; Szilagyi, R. K., Coord. Chem. Rev. 2005, 249, 97-129.
  60. 56. Ueyama, N.; Nishikawa, M.; Yamada, Y.; Okamura, T.; Nakamura, A., J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 12826-12827.
  61. 58. (a) Harrop, T. C.; Song, D.; Lippard, S. J., J. Inorg. Biochem. 2007, 101, 1730-1738; (b) Dillinger, S. A. T.; Schmalle, H. W.; Fox, T.; Berke, H., Dalton Trans. 2007, 32, 3562-3571; (c) Costanzo, S.; Ménage, S.; Purrello, R.; Bonomo, R. P.; Fontecave, M., Inorg. Chim. Acta. 2001, 318, 1-7; (d) Tsou, C.-C.; Tsai, F.-T.; Chen, H.-Y.; Hsu, I.-J.; Liaw, W.-F., 2013, 52.
  62. 59. Funahashi, J.; Takano, K.; Yamagata, Y.; Yutani, K., J. Biol. Chem. 2002, 277, 21792-21800.
  63. 60. Shih, W.-C.; Lu, T.-T.; Yang, L.-B.; Tsai, F.-T.; Chiang, M.-H.; Lee, J.-F.; Chiang, Y.-W.; Liaw, W.-F., J. Inorg. Biochem. 2012, 113, 83-93.
  64. 61. (a) Lin, Z.-S.; Lo, F.-C.; Li, C.-H.; Chen, C.-H.; Huang, W.-N.; Hsu, I.-J.; Lee, J.-F.; Horng, J.-C.; Liaw, W.-F., Inorg. Chem. 2011, 50, 10417-10431; (b) Huang, H.-W.; Tsou, C.-C.; Kuo, T.-S.; Liaw, W.-F., Inorg. Chem. 2008, 47, 2196-2204.
  65. 63. Berridge, M. V.; Herst, P. M.; Tan, A. S., Biotechnol. Annu. Rev. 2005, 11, 127-152.