Dekan: Prof. Dr. N. Schmitz Erster Gutachter: Priv.-Doz. Dr. R. Krämer Zweiter Gutachter: Prof. Dr. B. Krebs Tag der mündlichen Prüfung: Tag der Promotion:

Die experimentellen Untersuchungen zu der vorliegenden Arbeit wurden am Anorganisch-Chemischen Institut der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster in der Zeit von September 1995 bis Juni 1998 durchgeführt.

Herrn Priv.-Doz. Dr. R. Krämer und Herrn Prof. Dr. Bernt Krebs, unter deren Leitung diese Arbeit angefertigt wurde, danke ich herzlich für die zahlreichen Anregungen und Diskussionen, ihr stetes Interesse an meiner Arbeit und die materielle Unterstützung.

Inhaltsverzeichnis

1  Einleitung und Literaturübersicht  1

1.1  Das Konzept der Kaskaden-Komplexierung  1

1.2  Zweikernige Metallkomplexe makrocyclischer Liganden:  

Molekulare  Wirte für Anionen  2

1.2.1  Thermodynamik der Koordination von Metallionen und anionischen  

Substraten  an makrocyclischen Liganden  8

1.3  Zweikernige, makrocyclische Metallkomplexe als Vermittler von  

Hydrolyse  - und Redoxreaktionen  13

1.4  Bioanorganische Relevanz zweikerniger, makrocyclischer Metallkomplexe  16

1.4.1  Dinukleare Kupferproteine  16

1.4.2  Aminopeptidase, ein dinukleares Zinkprotein  18

2  Zielsetzung  19

3  Makrocyclische Metall-Komplexe mit ungewöhnlichen  

Rezeptoreigenschaften   20

3.1  Synthese und Charakterisierung der Liganden  20

3.1.1  Synthese und Charakterisierung von 2,6-Pyridindicarbaldehyd  

und  1,4-Diamino-2-butin  20

3.1.2  Darstellung und Charakterisierung der Makrocyclen L 1 und L  2

   21

3.1.3  Darstellung und Charakterisierung von H 4 (L 2 ) (NO 3 )  4

   22

3.1.4  Darstellung und spektroskopische Untersuchung  

des  octaazamakrocyclischen Liganden L  3

   23

3.2  Synthese und Charakterisierung der Komplexe  25

3.2.1  Synthese und Charakterisierung von  

Zn  4 (L 2 ) 2 (μ-OH) 2 (CN) 2 (ClO 4 ) 4 4 CH 3 CN (1)  

   25

3.2.2  Synthese und Charakterisierung von  

Cu  2 (L 2 )(μ-OH) (ClO 4 ) 3 2 H 2 O  

  (3)  33

3.2.3  Synthese und Charakterisierung von Cu 2 (L 2 )(μ-CN)(DMSO)  4

Cu  2 (L 2 )(μ-CN)(DMSO) 2 (ClO 4 ) 6 4 DMSO MeOH (4)  

   38

3.2.4  Syntheseversuch von Cu 2 (L 3 )(μ-OH)(S) 2 X 3 (12)  

  (S Solvens, X Anion)  44

Vergleich  der Substrataffinitäten der Kupfer(II)-Komplexe von L 2 und L 3  44

   3.3

3.3.1  Voraussetzung der Substrataffinität im L 2 -Cu 2 - und L 3 -Cu 2 -System  

   44

3.3.2  Affinität von L 2 -Cu 2 und L 3 -Cu 2 zu Hydroxid  

46

II

3.3.3 Affinität von L ² -Cu 2 und L ³ -Cu 2 zu Carbonat 47

3.3.4 Affinität von L ² -Cu 2 und L ³ -Cu 2 zu Cyanid 48

Potentiometrische Bestimmung der Oxalat-Affinität des L 2 -Cu 2 -Systems 3.4 50

3.4.1 Das System L ² -Cu 2 -Oxalat 51

4 Makrocyclische Metall-Komplexe mit schaltbaren Koordinationsgeometrien 56

Synthese und Charakterisierung des Makrocyclus L 4 4.1 56 4.2 Synthese und Charakterisierung der Komplexe 58

4.2.1 Synthese und Struktur des "unverbrückten" Cobalt-Komplexes [Co 2 (L ⁴ )(CH 3 CN) 2 ](ClO 4 ) 4 (6) 58

4.2.2 Synthese und Struktur des μ-Hydroxo-Cobalt-Komplexes [Co 2 (L ⁴ )(μ-OH)](ClO 4 ) 3 ⋅CH 3 CN⋅H 2 O (7) 62

4.2.3 Synthese und Struktur des "unverbrückten" Zink(II)-Komplexes [Zn 2 (L ⁴ )(NO 3 ) 2 ](NO 3 ) 2 ⋅2 MeOH (8) 67

4.2.4 Synthese und Struktur des μ-Hydroxo-Dizink(II)-Komplexes [Zn 2 (L ⁴ )(μ-OH)](ClO 4 ) 3 ⋅CH 3 CN (9) 71

4.2.5 Synthese und Struktur des "unverbrückten" Mangan(II)-Komplexes [Mn 2 (L ⁴ )(CH 3 CN) 2 ](ClO 4 ) 4 (10) 75

4.2.6 Synthese und Struktur des μ-Hydroxo-Dinickel(II)-Komplexes [Ni 2 (L ⁴ )(μ-OH)](ClO 4 ) 3 (11) 78 4.3 Reversible Schaltung der Koordinationsgeometrien in wäßriger Lösung 83

4.3.1 Schaltbare Koordinationsgeometrie des L ⁴ -Cobalt-Komplexes in wäßriger Lösung 83

4.3.2 Schaltbare Koordinationsgeometrie des L ⁴ -Zink(II)-Komplexes in wäßriger Lösung 85

5 Zusammenfassung 87

90 6 Experimenteller Teil

6.1 Analysenmethoden 90 6.2 Ausgangsverbindungen 91 6.3 Darstellung der Liganden 93

6.3.1 Darstellung von Pyridin-2,6-dicarbaldehyd 93

6.3.2 Darstellung von 1,4-Diamino-2-butin 93

6.3.3 Darstellung von 2.6-Bis(tosyloxymethyl)pyridin 94

III

6.3.4 Darstellung von 3,8,16,21,27,28-Hexaazatricyclo

[21.3.1.110,14]-octacosa-1(27),2,8,10,12,14(28), (L ¹ ) 15,21,23,25-decaen-5,18-diin 95

6.3.5 Darstellung von 3,8,16,21,27,28-Hexaazatricyclo[21.3.1.1 ^10,14 ]-octacosa-1(27),10,12,14(28),23,25-hexaen-5,18-diin (L ² ) 96

6.3.6 Darstellung von [H 4 L ² ](NO 3 ) 4 × 2H 2 O (5) 97 6.3.7 Darstellung von L ³ 98 6.3.8 Darstellung von L ⁴ 99 6.4 Darstellung der Komplexe 101

6.4.1 Darstellung von [Zn 4 (L ² ) 2 (μ-OH) 2 (CN) 2 ] (ClO 4 ) 4 ⋅4 CH 3 CN (1) 101

6.4.2 Darstellung von Zn 2 (L ² )(μ-OH) (ClO 4 ) 3 (2) 101

6.4.3 Darstellung von [Cu 2 (L ² )(μ-OH)] (ClO 4 ) 3 ⋅2 H 2 O (3) 102

6.4.4 Darstellung von [Cu 2 (L ² )(μ-CN)(DMSO) 4 ] [Cu 2 (L ² )(μ-CN)(DMSO) 2 ] (ClO 4 ) 6 ⋅4 DMSO⋅MeOH (4) 103

6.4.5 Darstellung von [Co 2 (L ⁴ )(CH 3 CN) 2 ] (ClO 4 ) 4 (6) 103

6.4.6 Darstellung von [Co 2 (L ⁴ )(μ-OH)] (ClO 4 ) 3 ⋅CH 3 CN⋅H 2 O (7) 104

6.4.7 Darstellung von [Zn 2 (L ⁴ )(NO 3 ) 2 ] (NO 3 ) 2 ⋅2 MeOH (8) 105

6.4.8 Darstellung von [Zn 2 (L ⁴ )(μ-OH)] (ClO 4 ) 3 ⋅CH 3 CN (9) 105

6.4.9 Darstellung von [Mn 2 (L ⁴ )(CH 3 CN) 2 ] (ClO 4 ) 4 (10) 106

6.4.10 Darstellung von [Ni 2 (L ⁴ )(μ-OH)] (ClO 4 ) 3 (11) 110

6.4.11 Syntheseversuch von (L ³ )Cu 2 (μ-OH)(OH 2 ) 2 (ClO 4 ) 3 (12) 110 6.5 Thermodynamische Untersuchungen 108

6.5.1 Reaktion von L ² -Cu 2 und L ³ -Cu 2 mit CO 2 108

6.5.2 Spektrophotometrische Vergleichsuntersuchung der Systeme L ² -Cu 2 und L ³ -Cu 2 mit dem Substrat Cyanid 108

6.5.3 Potentiometrische Bestimmung der Oxalat-Affinität 109

6.5.4 Spektrophotometrische Titration von [Co 2 (L ⁴ )] ⁴⁺ mit NaOH 110

6.5.5 ¹ H-NMR-Untersuchung des [Zn 2 (L ⁴ )] ⁴⁺ -Systems 110

7 Anhang 111

7.1 Anmerkungen zur Röntgenstrukturanalyse 111 7.1.1 Datensammlung 111 7.1.1.1 Diffraktometer 111 7.1.1.2 IPDS 112

7.1.2 Datenreduktion, Strukturlösung und Verfeinerung 113 7.2 Liste der verwendeten Rechenprogramme 117 7.3 Strukturparameter der röntgenographisch untersuchten Verbindungen 118

7.3.1 Strukturparameter für [Zn 4 (L ² ) 2 (μ-OH) 2 (CN) 2 ] (ClO 4 ) 4 ⋅4 CH 3 CN (1) 118

IV

7.3.2 Strukturparameter für [Cu 2 (L ² )(μ-OH)] (ClO 4 ) 3 ⋅2 H 2 O (3) 123

7.3.3 Strukturparameter für [Cu 2 (L ² )(μ-CN)(DMSO) 4 ] [Cu 2 (L ² )(μ-CN)(DMSO) 2 (ClO 4 ) 6 ⋅4 DMSO⋅MeOH (4) 128

7.3.4 Strukturparameter für [Co 2 (L ⁴ )(CH 3 CN) 2 ] (ClO 4 ) 4 (6) 135

7.3.5 Strukturparameter für [Co 2 (L ⁴ )(μ-OH)] (ClO 4 ) 3 ⋅CH 3 CN⋅H 2 O (7) 140

7.3.6 Strukturparameter für [Zn 2 (L ⁴ )(NO 3 ) 2 ] (NO 3 ) 2 ⋅2 MeOH (8) 147

7.3.7 Strukturparameter für [Zn 2 (L ⁴ )(μ-OH)] (ClO 4 ) 3 ⋅CH 3 CN (9) 151

7.3.8 Strukturparameter für [Mn 2 (L ⁴ )(CH 3 CN) 2 ] (ClO 4 ) 4 (10) 158

7.3.9 Strukturparameter für [Ni 2 (L ⁴ )(μ-OH)] (ClO 4 ) 3 (11) 162 7.4 Infrarot-Spektren der dargestellten Verbindungen 167

8 Literaturverzeichnis 172

V

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1.1: Schematische Darstellung der Bildung eines Kaskadenkomplexes durch Komplexierung eines anionischen Substrats 1 Abb. 1.2: Makrocyclische, zweikernige Kupfer(II)-Komplexe mit unterschiedlich koordinierten Azid-Anionen 3 Abb. 1.3: Sesselförmige und wannenförmige Konformation des BISDIEN-Kupfer(II)-Komplexes 3 Abb. 1.4: Einschluß von Imidazolat durch das Kupfer(II)-BISDIEN-System 4 ³⁺ Abb. 1.5: Struktur des Komplexkations [ZnCu(L C )(μ-im)] 5 3+ Abb. 1.6: Struktur des Komplexkations [Cu 2 (L C )(μ-CO 3 )] 5 3+ Abb. 1.7: Struktur des Komplexkations [Zn 2 L D (μ-OH)] 6 Abb. 1.8: Struktur des Komplexkations [Cu 2 L D (NCS) 4 ] 6 Abb. 1.9: Ligand BFBD und die Struktur des Komplexkations 3+ [H 5 (BFBD)(H 2 P 2 O 7 )] 7 Abb. 1.10: Struktur des Oxalat-verbrückten Kupfer(II)-Komplex von BFBD 7 Abb.1.11: Liganden BISDIEN, BISTREN und BISBAMP 8 2+ Abb. 1.12: Spezies des M -BISBAMP-Systems 10 Abb. 1.13: Die Komplexe [Co 2 O 2 (BISDIEN)(OH)] und [Co 2 O 2 (BISTREN)(OH)] 11 Abb. 1.14: Die Komplexe Co 2 (OH)O 2 (BISDIEN)(Oxalat) und Co 2 (OH)O 2 (BISDIEN)(Mesoxalat) 11 Abb. 1.15: Speziesverteilungsdiagramm für eine Lösung im molaren Verhältnis 1:1:2 BFBD : Oxalat : Kupfer(II) bei 25 °C 13 Abb. 1.16: Schematische Darstellung des möglichen Katalysezyklus der ATP-Hydrolyse durch den Liganden BISDIEN 14 Abb. 1.17 Postulierter Mechanismus für die Oxalatoxidation durch Sauerstoff im zweikernigen BISDIEN-Cobaltkomplex 14 Abb. 1.18 Vorgeschlagener Mechanismus für die Oxidation von Phosphit zu Phosphat im Komplex [Co 2 (OH)(O 2 )(Ps)(O-BISDIEN)] 3+ 15 Abb. 1.19: von (MX) 2 (DIEN) ² Abb. 1.20: desoxy-Hämocyanin und oxy-Hämocyanin 16 Abb. 1.21: Mechanismus der Cresolase- und Catecholase-Aktivität der Tyrosinase 17 Abb. 1.22: Struktur des aktiven Zentrums in der Leucin-Aminopeptidase aus Rinderlinse (rechts) und der Aminopeptidase aus Aeromonas proteolytica (links) 18 Abb. 3.1: Darstellung von 2,6-Pyridindicarbaldehyd 20 Abb. 3.2: Darstellung von 1,4-Diamino-2-butin 1 und L Abb. 3.3: Darstellung der makrocyclischen Liganden L

VI

Darstellung des protonierten Liganden [H 4 (L 2 )](NO 3 ) 4 Abb. 3.4: 3 Abb. 3.5: Darstellung des makrocyclischen Liganden L Abb. 3.6: Komplex 1 25 Abb. 3.7: Struktur von 1 mit Atombezeichnungen 27 Abb. 3.8: Zentrale Koordinationseinheit von 1

28 Berry-Pseudorotation und Definition von A, B, C, D, E, β und α Abb. 3.9: 30

2 im molaren Abb. 3.10: Speziesverteilungsdiagramm des Systems Zn(II)/L Verhältnis 2:1 (μ = 0.1 M, T = 25 °C, 2[L] = [M] = 7.14 ×

10 Abb. 3.11: Dominierende Spezies für einen pH > 7 in einer wäßrigen Lösung von 2 und zwei Äquivalenten Zink(II)nitrat einem Äquivalent L 32 Abb. 3.12 Komplex 3

2 )(μ-OH)] Abb. 3.13: Struktur des zweikernigen Komplexkations [Cu 2 (L Abb. 3.14: Zentrale Koordinationseinheit von 3 36 Abb. 3.15: H-Brücken-Vernetzung über Wassermoleküle zwischen zwei

2 )(μ-OH)] 3+ Schichten der Komplex-Kationen [Cu 2 (L . 37 Abb. 3.16: Komplex 4

2 )(μ-CN)(DMSO) 4 ] Abb. 3.17: Struktur des Komplexkations [Cu 2 (L

2 )(μ-CN)(DMSO) 2 ] Abb. 3.18: Struktur des Komplexkations [Cu 2 (L Abb. 3.19: Zentrale Koordinationseinheit von [Cu 2 (L Abb. 3.20: Zentrale Koordinationseinheit von [Cu 2 (L Abb. 3.21: Oben: Struktur der quadratisch-pyramidalen 2,6-Bis(aminomethyl)pyridin-

2 )M 2 X 4 -Komplexe(R = H, Alkyl). Unten: Struktur oktaedrischer 2,11-und (L

Diaza[3.3](2,6)pyridinophan-Komplexe (links) und sterische Hinderung der 3 )M 2 X 4 (X = Solvens, Anion). Coliganden X in (L Abb.3.22: Speziesverteilungsdiagramm von Cu(II) mit

L 2 , 2[L (μ = 0.1 M, T = 25°C, L = L Abb. 3.23: Vergleich der CO 2 -Affinität von

L pH-Zeit-Kurve bei alternierendem Einleiten von CO 2 und N 2 . Abb. 3.24: Struktur der Komplexkationen [Cu 2 (L und [Cu 2 (L Abb. 3.25: UV-Spektren von [L 3 Cu 2 (μ-CN)] [L und [L Abb. 3.26: Titrationskurven für: 5 und Oxalsäure (1:1)[OxCu0], Cu(II), 5

und Oxalsäure im molaren Verhältnis 1:1:1 [OxCu1] bzw. 2:1:1 [OxCu2] bei einer Ionenstärke von 0.1 M KNO 3 und 25 °C.

2 OxH 4 ] Abb. 3.27: Mögliche Struktur der Spezies [L Abb. 3.28: Speziesverteilungsdiagramm für das System 5/ Oxalat im molaren Verhältnis 1:1 (μ = 0.1 M, T = 25 °C, [L] = [Ox] = 1.27 mM). 52

VII

2 CuOxH 2 ] ²⁺ und [L 2 Cu 2 Ox] ²⁺ Abb. 3.29: Mögliche Strukturen der Spezies [L 53 Abb. 3.30: Speziesverteilungsdiagramm für das System Cu(II)/ 5/ Oxalat im molaren Verhältnis 1:1:1 (μ = 0.1 M, T = 25 °C, [L] = [Ox] = [Cu] = 0.988 mM). 54 Abb. 3.31: Speziesverteilungsdiagramm für das System Cu(II)/ 5/ Oxalat im molaren Verhältnis 2:1:1 (μ = 0.1 M, T = 25 °C, [L] = [Ox] = 1/2 [Cu] = 0.79 mM).

4 Abb. 4.1: Darstellung des makrocyclischen Liganden L Abb. 4.2: Links: Struktur oktaedrischer 2,6-Bis(N-picolylaminomethyl)pyridin-Komplexe (R = H, Alkyl).

4 )M 2 X 2 Rechts: sterische Hinderung der Coliganden X in (L (X = Solvens, Anion). 58 Abb. 4.3: Komplex 6

4+ von 6 Struktur des Komplexkations [Co 2 (L 4 )(CH 3 CN) 2 ] Abb. 4.4:

Definition des Verdrillungswinkels θ (links) und Abb. 4.5:

Co(II)-Koordinationspolyeder von 6 (rechts) 61 Abb. 4.6: Komplex 7

4 )(μ-OH)] Abb. 4.7: Struktur des Komplexkations [Co 2 (L Definition des Verdrillungswinkels θ (links) und Abb. 4.8:

Co(1)-Koordinationspolyeder von 7 (rechts) 65 Abb. 4.9: Komplex 8

4 )(NO 3 ) 2 ] Abb. 4.10: Struktur des Komplexkations [Zn 2 (L Definition des Verdrillungswinkels θ (links) und Abb. 4.11:

Zn(II)-Koordinationspolyeder von 8 (rechts) 70 .Abb. 4.12: Komplex 9

4 )(μ-OH)] Abb. 4.13: Struktur des Komplexkations [Zn 2 (L Definition des Verdrillungswinkels θ (links) und Abb. 4.14:

Zn(1)-Koordinationspolyeder von 9 (rechts) 74 Abb.4.15: Komplex 10

4 )(CH 3 CN) 2 ] Abb. 4.16: Struktur des Komplexkations [Mn 2 (L Definition von θ (links) und Mn(II)-Koordinationspolyeder Abb. 4.17: von 10 (rechts) 78 Abb. 4.18: Komplex 11

4 )(μ-OH)] Abb.4.19: Struktur des Komplexkations [Ni 2 (L Definition des Verdrillungswinkels θ (links) und der Abb. 4.20:

Ni(II)-Koordinationspolyeder von 11 (rechts) 81

VIII

Abb. 4.21: Co-Koordinationspolyeder und Strukturen von 6 (links) und 7 (rechts),

spektrophotometrische Titration einer in situ aus L 4 )(OH 2 ) 2 ](NO 3 ) 4 (10 mM in H 2 O) mit NaOH hergestellten Lösung von [Co 2 (L

(0-1 Äquivalent). Die Kurven wurden jeweils nach der Zugabe von 0.1 Äquivalent NaOH aufgenommen (unten). 84 Abb. 4.22: Zn-Koordinationspolyeder und Kationenstrukturen von

8 (links) und 9 (rechts),

4 und 2 Zn(NO 3 ) 2 ⋅6H 2 O hergestellten Lösung von aus L [Zn 2 (L Abb. 7.1: Struktur des Komplexkations [Zn 2 (L Abb. 7.2: Struktur des Komplexkations [Cu 2 (L mit Atombezeichnung Abb. 7.3: Struktur der Komplexkationen [Cu 2 (L 2 )(μ-CN)(DMSO) 2 ] und [Cu 2 (L Abb. 7.4: Struktur des Komplexkations [Co 2 (L mit Atombezeichnung 4 )(μ-OH)] Abb. 7.5: Struktur des Komplexkations [Co 2 (L mit Atombezeichnung 4 )(NO 3 ) 2 ] Abb. 7.6: Struktur des Komplexkations [Zn 2 (L mit Atombezeichnung 4 )(μ-OH)] Abb. 7.7: Struktur des Komplexkations [Zn 2 (L mit Atombezeichnung 4 )(CH 3 CN) 2 ] Abb. 7.8: Struktur des Komplexkations [Mn 2 (L mit Atombezeichnung 4 )(μ-OH)] Abb. 7.9: Struktur des Komplexkations [Ni 2 (L mit Atombezeichnung 162 2 Abb. 7.10: IR-Spektrum des makrocyclischen Liganden L 167 2 ](NO 3 ) 4 ⋅ 2H 2 O (5) Abb. 7.11: IR-Spektrum der Verbindung [H 4 L Abb. 7.12: IR-Spektrum des makrocyclischen Liganden L Abb. 7.13: IR-Spektrum des makrocyclischen Liganden L 2 )(μ-OH)(CN) 2 ](ClO 4 ) 2 ⋅ Abb. 7.14: IR-Spektrum der Verbindung [Zn 2 (L 2 CH 3 CN (1) Abb. 7.15: IR-Spektrum der Verbindung Zn 2 (L Abb. 7.16: IR-Spektrum der Verbindung [Cu 2 (L Abb. 7.17: IR-Spektrum der Verbindung [Cu 2 (L 2 )(μ-CN)(DMSO) 2 ](ClO 4 ) 6 ⋅5 DMSO⋅MeOH (4) [Cu 2 (L Abb. 7.18: IR-Spektrum der Verbindung [Co 2 (L Abb. 7.19: IR-Spektrum der Verbindung [Co 2 (L Abb. 7.20: IR-Spektrum der Verbindung [Zn 2 (L

IX

Abb. 7.21: IR-Spektrum der Verbindung [Zn 2 (L Abb. 7.22: IR-Spektrum der Verbindung [Mn 2 (L 4 )(μ-OH)] (ClO 4 ) 3 (11) Abb. 7.23: IR-Spektrum der Verbindung [Ni 2 (L

Tabelle 1.1: Logarithmen der Gleichgewichtskonstanten von Kupfer(II)komplexen

Tabelle 1.2: Stabilitätskonstanten des BFBD-Kupfer(II)-Oxalat-Systems

Tabelle 3.1:

Tabelle 3.2: Tabelle 3.3: Tabelle 3.4: Tabelle 3.5: Kristalldaten und Details der Datensammlung, Strukturlösung und -verfeinerung von 1 26 Tabelle 3.6: Tabelle 3.7: und -verfeinerung von 3 34 Tabelle 3.8: Ausgewählte Bindungslängen und -winkel von 3 (sy. = symmetrieerzeugt) 37 Tabelle 3.9: Kristalldaten und Details der Datensammlung, Strukturlösung und -verfeinerung von 4

39 Tabelle 3.10 a: Bindungslängen an den Metallzentren von 6 43

Tabelle 3.10 b: Bindungswinkel an den Metallzentren von 6

Tabelle 3.11: Tabelle 3.12: Tabelle 4.1:

Tabelle 4.2: Kristalldaten und Details der Datensammlung, Strukturlösung und -verfeinerung von 6 59 Tabelle 4.3: Tabelle 4.4: und -verfeinerung von 7 63 Tabelle 4.5: Bindungslängen und -winkel an den Metallzentren von 7 66 Tabelle 4.6: Kristalldaten und Details der Datensammlung, Strukturlösung und -verfeinerung von 8 68 Tabelle 4.7: Tabelle 4.8: und -verfeinerung von 9 72 Tabelle 4.9: Bindungslängen und -winkel an den Metallzentren von 9 74

XI

Tabelle 4.10: Kristalldaten und Details der Datensammlung, Strukturlösung und -verfeinerung von 10 76 Tabelle 4.11: Tabelle 4.12: und -verfeinerung von 11 79 Tabelle 4.13:

Tabelle 7.1: mit Standardabweichung für Verbindung 1 118 Tabelle 7.2: Bindungsabstände mit Standardabweichung für Verbindung 1 119 Tabelle 7.3: Tabelle 7.4: für Verbindung 1 121 Tabelle 7.5: Koordinaten der Wasserstoffatome und isotropen Temperaturfaktoren für Verbindung 1 122 Tabelle 7.6:

Tabelle 7.7: Bindungsabstände mit Standardabweichung für Verbindung 3 124 Tabelle 7.8: Tabelle 7.9: für Verbindung 3 126 Tabelle 7.10: Koordinaten der Wasserstoffatome und isotropen Temperaturfaktoren für Verbindung 3 127 Tabelle 7.11:

Tabelle 7.12: Bindungsabstände mit Standardabweichung für Verbindung 4 130 Tabelle 7.13: Tabelle 7.14: für Verbindung 4 132 Tabelle 7.15: Koordinaten der Wasserstoffatome und isotropen Temperaturfaktoren für Verbindung 4 134 Tabelle 7.16:

Tabelle 7.17: Bindungsabstände mit Standardabweichung für Verbindung 6 136 Tabelle 7.18: Tabelle 7.19: für Verbindung 6 138 Tabelle 7.20: Koordinaten der Wasserstoffatome und isotropen Temperaturfaktoren für Verbindung 6 139

XII

Tabelle 7.21:

Tabelle 7.22: Bindungsabstände mit Standardabweichung für Verbindung 7 142 Tabelle 7.23: Tabelle 7.24: für Verbindung 7 144 Tabelle 7.25: Koordinaten der Wasserstoffatome und isotropen Temperaturfaktoren für Verbindung 7 146 Tabelle 7.26:

Tabelle 7.27: Bindungsabstände mit Standardabweichung für Verbindung 8 148 Tabelle 7.28: Tabelle 7.29: für Verbindung 8 149 Tabelle 7.30: Koordinaten der berechneten Wasserstoffatome und isotropen Temperaturfaktoren für Verbindung 8 150 Tabelle 7.31:

Tabelle 7.32: Bindungsabstände mit Standardabweichung für Verbindung 9 153 Tabelle 7.33: Tabelle 7.34: für Verbindung 9 155 Tabelle 7.35: Koordinaten der berechneten Wasserstoffatome und isotropen Temperaturfaktoren für Verbindung 9 157 Tabelle 7.36:

Tabelle 7.37: Bindungsabstände mit Standardabweichung für Verbindung 10 159 Tabelle 7.38: Tabelle 7.39: für Verbindung 10 160 Tabelle 7.40: Koordinaten der berechneten Wasserstoffatome und isotropen Temperaturfaktoren für Verbindung 10 161 Tabelle 7.41:

Tabelle 7.42: Bindungsabstände mit Standardabweichung für Verbindung 11 163 Tabelle 7.43: Tabelle 7.44: für Verbindung 11 165

XIII

Tabelle 7.45: Koordinaten der Wasserstoffatome und isotropen Temperaturfaktoren für Verbindung 11 166

XIV

Abkürzungsverzeichnis

^11,15 ]triaconta-BISBAMP 3, 9, 17, 23, 29, 30-hexaaza-6, 20-dioxatricyclo[23.3.1.1

1(28), 11, 13, 15(30), 25, 26-hexan

BISTREN 7, 19, 30-trioxa-1, 4, 10, 13, 16, 22, 27, 33-octaazabicyclo[11.11.11]pentatriacontan BISDIEN BFBD

(MX 2 )(DIEN) 2

11(30), 12(13), 14, 16, 23, 25, 27-decaene IR Infrarot im Imidazolat Ps Phosphit NMR nuclear magnetic resonance Ox Oxalat UV Ultraviolett L 1

3,8,16,21,27,28-Hexaazatricyclo[21.3.1.110,14]-octacosa-1(27),2,8,10,12,14(28),15,21,23,25-decaen-5,18-diin

L 2

3,8,16,21,27,28-Hexaazatricyclo[21.3.1.1 ^10,14 ]-octacosa- 1(27),10,12,14(28),23,25-hexaen-5,18-diin

XV

3 L

4 L

[Zn 4 (L 2 ) 2 (μ-OH) 2 (CN) 2 ] (ClO 4 ) 4 ⋅4 CH 3 CN 1

Zn 2 (L 2 )(μ-OH) (ClO 4 ) 3 2

[Cu 2 (L 2 )(μ-OH)] (ClO 4 ) 3 ⋅2 H 2 O 3

[Cu 2 (L 2 )(μ-CN)(DMSO) 4 ] 4

[Cu 2 (L 2 )(μ-CN)(DMSO) 2 ] (ClO 4 ) 6 ⋅4 DMSO⋅MeOH [H 4 L 2 ](NO 3 ) 4 × 2H 2 O 5

[Co 2 (L 4 )(CH 3 CN) 2 ] (ClO 4 ) 4 6

[Co 2 (L 4 )(μ-OH)] (ClO 4 ) 3 ⋅CH 3 CN⋅H 2 O 7

[Zn 2 (L 4 )(NO 3 ) 2 ] (NO 3 ) 2 ⋅2 MeOH 8

[Zn 2 (L 4 )(μ-OH)] (ClO 4 ) 3 ⋅CH 3 CN 9

[Mn 2 (L 4 )(CH 3 CN) 2 ] (ClO 4 ) 4 10

[Ni 2 (L 4 )(μ-OH)] (ClO 4 ) 3 11

In den Spektren werden folgende Abkürzungen verwendet:

1

1 Einleitung und Literaturübersicht

1.1 Das Konzept der Kaskaden-Komplexierung

Die ersten dinuklearen Komplexe, in denen die Übergangsmetallkationen an einen makrocyclischen Liganden gebunden sind, wurden im Jahre 1970 von Busch [1] und Stotz [2] synthetisiert. In den von Busch und Stotz untersuchten Komplexen wird die räumliche Anordnung der beiden Metallkationen durch das Design des Liganden bestimmt. Die Modifizierung des Ligandenaufbaus ermöglicht eine Variation des Metall-Metall-Abstandes. Bei geringem Abstand können eventuelle Metall-Metall-Wechselwirkungen untersucht werden, bei einem längeren Metall-Metall-Abstand ist der Einschluß von anionischen Substraten möglich, falls die Metallkationen durch Komplexierung noch nicht koordinativ abgesättigt sind. Eine solche sogenannte Kaskaden-Komplexierung [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9] (Abb. 1.1) liegt vor, wenn ein Ligand zuerst Metallionen bindet, die dann mit verbrückenden Substraten in Wechselwirkung treten können. Durch Anionen werden die Coloumb-Wechselwirkungen zwischen den beiden Metallen herabgesetzt.

Abb. 1.1: Schematische Darstellung der Bildung eines Kaskadenkomplexes durch Komplexierung eines anionischen Substrats

Die Bildung von solchen Kaskaden-Komplexen stellt einen doppelten Auswahlprozeß dar: erstens die Selektion des Metallkations durch die chelatbildenden Untereinheiten des Liganden und zweitens die Selektion des Substrats (z.B. eines Anions) durch die Art und räumliche Anordnung der Kationen. Metallkomplex und Substrat stehen in solchen Kaskaden-Komplexen in einer Wirt-Gast-Beziehung. Für Kaskaden-Komplexe sind diverse Anwendungen [6, 7, 8, 10, 11, 12] denkbar:

2

• Selektive Bindung von Substraten (Kap. 1.2)

• Aktivierung eingeschlossener Substrate (Kap. 1.3)

• Katalyse von Multielektronen-Redoxprozessen (Kap 1.3)

• Bioanorganische Modelle für mehrkernige Metalloproteine (Phosphatasen, Phosphodiesterasen, Peptidasen, Oxidasen, Oxygenasen etc.) (Kap. 1.4)

Einige Anwendungsmöglichkeiten sollen in den folgenden Kapiteln anhand von Literaturbeispielen diskutiert werden.

1.2 Zweikernige Metallkomplexe makrocyclischer Liganden:

Molekulare Wirte für Anionen

Selektivität im biologischen Geschehen beruht überwiegend auf nur einem, dafür aber ubiquitären und offenbar sehr erfolgreichen Prinzip: der molekularen Assoziation eines Substrats mit einem Wirtsmolekül, der dann eine Funktion (Biokatalyse, Stofftransport, Informationstransfer, Freund-Feind-Erkennung, Vererbung) nachgeordnet ist. Dabei wird die Erkennung des Gastes durch den molekularen Wirt im Grundzustand über nicht-kovalente Wechselwirkungen vermittelt, die nicht nur eine einzige Substruktur, sondern ausgedehntere Regionen oder das Molekül als Ganzes erfassen. Aus der Nachahmung dieses grundlegenden Konzeptes erhofft man sich ein besseres Verständnis für die Vorgänge in biologischen Systemen wie z. B. Biokatalyse und Enzym-Substratspezifität [7]. Schon im Jahre 1968 beobachteten Park und Simons [13] Wirt-Gast-Komplexe eines protonierten Diazamakrocyclus mit Anionen. Die Bedeutung dieser Wirt-Gast-Beziehung wird in der belebten Natur durch den Befund unterstrichen, daß 70 % der bekannten Enzyme anionische Substrate binden und umsetzen.

Zweikernige Übergangsmetallkomplexe makrocyclischer Liganden, deren Metall-Ionen koordinativ noch nicht abgesättigt sind, können verbrückende Substrate einschließen und sind daher als synthetische Rezeptoren und als Modellsysteme für die Bindung und Aktivierung von Substraten durch zweikernige Zentren von Metalloproteinen von Interesse. Durch die Variation des makrocyclischen Grundgerüsts und durch geeignete Wahl der Metall-Ionen ist es möglich, die Komplexe den sterischen und elektronischen Bedürfnissen eines Substratmoleküls anzupassen und die Substratselektivität zu steuern [14]. Die Koordinationsgeometrie dieser makrocyclischen Metallkomplexe hat dabei einen entscheidenden Einfluß auf deren physikalische und chemische Eigenschaften. Es besteht daher ein großes Interesse am Verständnis der die Koordinationsgeometrie bestimmenden Faktoren und an der gezielten Beeinflussung der Komplexstruktur durch das Ligandendesign [15, 16, 17]. Wie durch Veränderungen der Ligandenstruktur, die Koordinationssphäre der Metallionen beeinflußt werden kann, zeigt sich eindrucksvoll an den Röntgenstrukturen einer Serie von Kupfer(II)-Komplexen, in denen ein Azid-Anion als Substrat fungiert [18, 19]. Obwohl sich

3

die einzelnen Liganden (Abb. 1.2) nur geringfügig in den Donor-Atomen und im Gerüstaufbau unterscheiden, hat dies einen erheblichen Einfluß auf die Substratanbindung. Diese verschiedenartige Anbindung des Azids beeinflußt die magnetischen Eigenschaften der im Komplex gebundenen Kupfer(II)-Ionen. In Cu 2 (L A )(N 3 ) 4 ist das Azid einatomig verbrückend koordiniert, wodurch die Kupfer(II)-Ionen ferromagnetisch gekoppelt sind. Während in Cu 2 (BISDIEN)(N 3 ) 4 das Azid terminal an die Kupfer(II)-Ionen gebunden ist, zeigt der Komplex Cu 2 (L B )(N 3 ) 4 durch eine starke antiferromagnetische Kopplung über die dreiatomig verbrückenden Azid-Ionen diamagnetisches Verhalten.

Abb. 1.2: Makrocyclische, zweikernige Kupfer(II)-Komplexe mit unterschiedlich koordinierten Azid-Anionen

Für den Thiaazamakrocyclus L B wurde ein weiterer Kaskadenkomplex kristallographisch charakterisiert. Hierbei handelt es sich um den gemischtvalenten Kupfer(I,II)komplex Cu 2 (L B )(μ-CN)(ClO 4 ) 2 [20], in dem die beiden Metallatome über eine zweiatomige Cyanidbrücke miteinander verbunden sind. Der Komplex wird als Modellverbindung für die vermutete Cyanidanbindung in Derivaten des Hämocyanins [21, 22], insbesondere in der Halbmet-Cyanid-Form [23], diskutiert.

Abb. 1.3: Sesselförmige und wannenförmige Konformation des BISDIEN-Kupfer(II)-Komplexes

4

Nicht nur der unterschiedliche Aufbau der Liganden hat einen Einfluß auf die Struktur der Komplexe. Der Kupfer(II) Komplex des BISDIEN (Abb. 1.2) bindet z.B. das Substrat Azid terminal, wohingegen er mit dem Hydroxid-Ion als Substrat eine μ-Hydroxo-Brücke eingeht, wie durch die Struktur Cu 2 (μ-OH)(BISDIEN)(ClO 4 ) 2 aufgezeigt wurde [24] (Abb. 1.3). Beim Vergleich der beiden Kupfer(II) Strukturen zeigen sich deutliche Unterschiede. War bei der terminalen Koordination der Azid-Ionen die Sesselkonformation sterisch begünstigt, so wird der Ligand durch die μ-Hydroxo-Brücke in die hier sterisch günstigere Wannenkonformation "umgeschaltet", wobei das verbrückende Perchlorat-Anion die Koordinationssphäre zur verzerrten quadratisch-pyramidialen Konformation auffüllt. Aber nicht nur Azid- und Hydroxid kommen als Substrat in Betracht. Nachdem die ^3.86 für verbrückendes Imidazol bestimmt wurde [25], zeigte die Bindungskonstante K = 10

entsprechende Kristallstruktur ebenfalls eine Wannenkonformation des Kupfer(II)-BISDIEN-Systems [26] (Abb. 1.4).

Abb. 1.4: Einschluß von Imidazolat durch das Kupfer(II)-BISDIEN-System

Der zweikernige Imidazolat-Komplex wird wahrscheinlich durch eine ausgedehnte Elektronendelokalisation über das Cu(NCN)Cu-Gerüst stabilisiert. Kürzlich konnte eine noch 4.7 höhere Imidazolat-Bindungkonstante (K = 10 BISDIEN-Derivats gefunden werden [27]. Auch Histamine (K = 10 ^5.5

10 ) werden durch den Komplex gebunden. Die Bindungskonstanten sind um etwa zwei Zehnerpotenzen höher als die anderer dreiatomig verbrückender Substraten ^- , HCO ^{3 -} , N ^{3 -} , NCO ^- ). Da Imidazol ein Substituent der Aminosäure L-Histidin ist, (NCS

dienen diese Komplexe als Strukturmodell für die Superoxid-Dismutase (SOD) [28]. Die SOD enthält ein durch Histidin Imidazolat verbrücktes Kupfer-Zink-Zentrum [29]. Ein noch besseres Strukturmodell ist der heterobinukleare Komplex des Liganden L C [30 31] (Abb. 1.5). Der beobachtete Kupfer-Zink-Abstand ist etwas kürzer (6 Å) als der Abstand in SOD (6.3 Å).

³⁺ Abb. 1.5: Struktur des Komplexkations [ZnCu(L C )(μ-im)]

Der zweikernige Kupferkomplex des Liganden L C bildet mit CO 2 den carbonatverbrückten Komplex [Cu 2 (L C )(μ-CO 3 )(H 3 O)]Br 3 ⋅3H 2 O (Abb. 1.6) [32]. Die dreiatomige Carbonatbrücke verbindet die beiden Metallzentren, deren Abstand 5.85 Å beträgt.

3+ Abb. 1.6: Struktur des Komplexkations [Cu 2 (L C )(μ-CO 3 )]

Ein weiteres Beispiel, wie durch die Wahl der Metall-Kationen und des Substrates die Koordinationsgeometrie der zweikernigen makrocyclischen Komplexe beeinflußt werden kann, bieten Komplexe [33] des Liganden L D . Auf Grund der potentiometrischen Titrationen wurden für die dinuklearen Zink(II)- und Kupfer(II)-Komplexe sowohl einfach als auch zweifach verbrückende Hydroxo-Spezies erwartet. Der einfach verbrückende Hydroxo-Komplex konnte im Falle des Zink(II)-Komplexes röntgenographisch charakterisiert werde (Abb. 1.7). Die Koordinationsgeometrie des Zink(II) ergibt sich zu einem verzerrten trigonalen Prisma.

6

Der sehr flexible Ligand L D wird durch die Hydroxo-Brücke in eine schraubenförmige Konformation gezwungen, so daß sich die beiden Zink(II)-Ionen bis auf 3.54 Å annähern können.

3+ Abb. 1.7: Struktur des Komplexkations [Zn 2 L D (μ-OH)]

Durch Umsetzung von L D mit Kupfer(II)perchlorat und Kaliumthiocyanat wurde ein unverbrückter dinuklearer Kupfer(II)-Komplex isoliert (Abb. 1.8). Mit den terminal koordinierenden Thiocyanat-Ionen entspricht die Koordinationsgeometrie der Metall-Ionen einer regulären quadratischen Pyramide. Der Abstand der beiden Kupfer(II)-Zentren erweitert sich auf 6.16 Å, wodurch der makrocyclische Hohlraum gegenüber der Zink(II)-Struktur deutlich vergrößert wird und das Ligandengerüst in eine Sesselkonformation übergeht.

Abb. 1.8: Struktur des Komplexkations [Cu 2 L D (NCS) 4 ]

7

Auch die protonierten Azamakrocyclen sind in der Lage, anionische Substrate zu komplexieren. Der makrocyclische Ligand BFBD unterscheidet sich von BISDIEN dadurch, daß er anstelle der beiden Ether-Spacer zwei Furan-Gruppen als Spacer enthält. BFBD bildet in wäßriger Lösung einfach bis sechsfach protonierte Formen aus, die mit den verschiedenen Anionen wie Oxalat, Malonat und Pyrophosphat in Wechselwirkung treten können. Die Stabilität dieser Komplexe steigt mit der Ladung der protonierten Liganden und der koordinierenden Substrate [34]. Ein Beispiel für die stabile Substratanbindung ist die Verbindung des pentaprotonierten Liganden BFBD mit Pyrophosphat als Substrat, dessen Struktur röntgenographisch geklärt wurde (Abb. 1.9) [35].

3+ Abb. 1.9: Ligand BFBD und die Struktur des Komplexkations [H 5 (BFBD)(H 2 P 2 O 7 )]

Die dinuklearen Metall-Komplexe von BFBD zeigen auch die Tendenz, anionische Substrate zu binden. So wurde mit Kupfer(II) ein Oxalat-verbrückter Kaskadenkomplex röntgenographisch charakterisiert und die Bindungskonstanten zu Oxalat, aber auch zu

Abb. 1.10: Struktur des Oxalat-verbrückten Kupfer(II)-Komplex von BFBD

8

Malonat und Pyrophosphat über die Potentiometrie bestimmt (Abb. 1.10) [36]. Dieser Komplex ist jedoch nicht der erste kristallographisch charakterisierte Kaskaden-Komplex mit verbrückend koordinierten Oxalat. Schon früher wurde ein ähnlicher Kupfer(II)-Komplex beschrieben, der sowohl Oxalat als auch Acetat als verbrückendes Substrat einschließt [37].

1.2.1 Thermodynamik der Koordination von Metallionen und anionischen

Substraten an makrocyclischen Liganden

Die thermodynamischen Untersuchungen an zweikernigen makrocyclischen Systemen entwickelten sich in den letzten Jahren zu einer fast eigenständigen Disziplin innerhalb der Komplexchemie der Übergangsmetalle. Nach der Synthese und der röntgenographischen Charakterisierung zahlreicher Metall-Komplexe wuchs das Interesse an den thermodynamischen Gegebenheiten in Lösung. Die thermodynamischen Messungen ergeben zwar keine Information über die Struktur der Komplexe in Lösung, jedoch können sie eine gute Vorstellung darüber vermitteln, auf welche Art und Weise und mit welchen Gleichgewichtskonstanten sich die Komplexe bilden.

Durch Einbeziehung von UV- und NMR-spektroskopischen Methoden können dann auch Aussagen über die Struktur der Komplexe in Lösung getroffen werden. Beispielsweise konnte die spektrophotometrische Titration eines zweikernigen Kupfer(II)-Komplexes zum einen dessen Affinität zu Imidazol bestimmt werden, zum anderen konnten Informationen über die Struktur des Komplexes in Lösung erhalten werden [27].

Ebenso ist es möglich, strukturelle Informationen über die Röntgenstrukturanalyse zu erhalten, wobei jedoch immer zu bedenken ist, daß ein Komplex nicht zwingend die gleiche Koordinationsgeometrie im Festzustand wie in Lösung haben muß. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß in vielen Metallkomplexen die spezifischen Donor-Atome und die Koordinationsgeometrie im Festzustand und in Lösung annähernd gleich sind [38].

Abb.1.11: Liganden BISDIEN, BISTREN und BISBAMP

9

Zur Untersuchung der Komplexe in wäßriger Lösung hat sich die potentiometrische Titration bewährt [39]. Hiermit lassen sich die Stabilitätskonstanten der in Lösung vorliegenden Spezies bestimmen. Als Beispiel dieser potentiometrischen Studien an ditopen Makrocyclen dienen die ausgiebig untersuchten Liganden BISDIEN [25], BISTREN [40] und BISBAMP [41] (Abb. 1.11). Die Stabilitätskonstanten verschiedener Kupferkomplexe sind in Tabelle 1.1 aufgeführt. In Abb. 1.12 sind verschiedene Spezies des Metall-BISBAMP-Systems dargestellt.

Tabelle 1.1: Logarithmen der Gleichgewichtskonstanten von Kupfer(II)komplexen für BISDIEN, BISTREN und BISBAMP [25][40][41] (μ = 0.10 M, T = 25 C°, b = nicht gefunden, M = Cu)

Die mononuklearen Kupferkomplexe von BISDIEN und BISTREN liegen in einer bis zu dreifach protonierten Form vor, die entsprechenden BISBAMP- Spezies erreichen dagegen nur die zweifach protonierte Form (Abb. 1.12). Der Grund ist die geringere Basizität der Pyridinstickstoffe, die im pH-Intervall der potentiometrischen Titration nicht protoniert werden. Bei einer gewissen Flexibilität des Liganden kann sich die Anzahl der koordinierenden Stickstoffatome von drei auf sechs im mononuklearen Metallkomplex erhöhen, wie es z. B. für die Metall-BISDIEN-Komplexe angenommen wird [25]. Die Stabilitätskonstanten der verschiedenen Spezies spiegeln die Basizität der Liganden wieder. Die Affinität der Kupfer(II)-Ionen zu BISDIEN ist etwas geringer als die zu BISTREN, da BISDIEN weniger basische Stickstoffe enthält. Allerdings ist die Affinität nicht so minimal wie erwartet, da zum einen die tertiären Stickstoffatome des BISTREN eine nur schwach basische Wirkung haben und zum anderen BISDIEN ein flexibleres Ligandengerüst besitzt, welches sich besser der Koordinationsgeometrie des Metall-Kations anpassen kann. BISBAMP bildet auf Grund der schwach basischen Pyridinstickstoffe noch labilere Komplexe. Die Hydroxokomplexe können schon bei relativ niedrigen pH-Werten durch

10

⁴⁺ Deprotonierung der Cu-koordinierten Wassermoleküle entstehen. So kann die Spezies M 2 L z.B. bis zum Bis-Hydroxo-Komplex hydrolysieren. Den kleinsten pK s -Wert und daher die ⁴⁺ . Die Stabilität des Hydroxo-größte Acidität zeigt der Komplex Cu 2 (BISTREN)(OH 2 )

verbrückten Komplexes kommt wahrscheinlich durch die zusätzliche Ausbildung einer Wasserstoffbrückenbindung zu einem Ethersauerstoffatom der Spacer zustande. Die Kristallstruktur des Komplexes bestätigt diese Annahme [42].

2+ Abb. 1.12: Spezies des M -BISBAMP-Systems

Die zweikernigen makrocyclischen Komplexe können ein verbrückendes Substrat binden, wenn freie Koordinationsstellen an den Metall-Kationen vorhanden sind. Kaskaden-Komplexe sind für M 2 -BISDIEN mit 1,2-Diaminobenzol [43], Malonsäure [44], Mesoxalsäure [45], Catechol [46], Oxalsäure [47], Pyrophosphat [48] und Sulfat [49] bekannt. Für Komplexe des Liganden O-BISTREN wurde die Bindung verschiedener Halogenid-Ionen [50, 51] untersucht. Ähnliche Studien wurden von Hosseini et al. [52, 53, 54] für die Affinität des protonierten Liganden BISDIEN zu AMP, ADP und ATP durchgeführt. Sowohl für BISDIEN als auch für BISTREN wurden μ-Hydroxo-μ-Oxo- Dicobalt Komplexe postuliert [55] die in Abb. 1.13 dargestellt sind.

Abb. 1.13: Die Komplexe [Co 2 O 2 (BISDIEN)(OH)] und [Co 2 O 2 (BISTREN)(OH)]

Die Ladung des koordinierenden Sauerstoffs liegt hierbei zwischen einer Peroxo- und einer neutralen Disauerstoffbrücke. Auch die Ladung der Cobalt-Ionen liegt somit zwischen +3 und +2. In beiden Fällen wird der Disauerstoffkomplex simultan mit der μ-Hydroxo-Brücke gebildet. Der BISDIEN-Oxo-Komplex zeigt eine höhere Affinität zum Disauerstoff als der BISTREN-Komplex. Man nimmt an, daß die Anbindung des Sauerstoffs an den BISTREN-Cobalt-Komplex eine starke Verzerrung des Ligandengerüstes verursacht, die der Anbindung entgegenwirkt. Durch temperaturabhängige UV-Spektroskopie konnte festgestellt werden, daß der Komplex Co 2 O 2 (BISTREN)(OH) ab einer Temperatur von 70 °C fast vollständig dissoziert ist und bei Abkühlung der Sauerstoff wieder reversibel gebunden wird. Diese Eigenschaft macht den Komplex als Sauerstoff-Carrier interessant [55, 56]. ³⁺ sind noch zwei weitere Koordinationsstellen frei, so Im Komplex [Co 2 O 2 (BISDIEN)(OH)] daß ein weiteres verbrückendes Substrat anbinden kann.

Abb. 1.14: Die Komplexe Co 2 (OH)O 2 (BISDIEN)(Oxalat) und Co 2 (OH)O 2 (BISDIEN)(Mesoxalat)

Die Untersuchungen mit Oxalat als Substrat in wäßriger Lösung ergaben, daß dieses sowohl von den 4- bis 6-fach protonierten Liganden als auch von den entsprechenden ein- und zweikernigen Cobalt-Komplexen gebunden wird. Die Umsetzung mit Sauerstoff als

12

zusätzlichem Substrat ergab einen gemischten μ-Oxalato-μ-Peroxo-μ-Hydroxo-Dicobalt- Komplex(Abb. 1.14), der bei einem pH-Wert von 8.5 die dominierende Spezies ist. Auch andere verbrückende Substrate wie Catechol [46] und Meso-Oxalat werden durch den Dicobalt-oxo-Komplex gebunden. Beim μ-Mesoxalato-μ-Peroxo-Dicobalt-BISDIEN- Komplex(Abb. 1.14) findet anschließend eine intramolekulare Oxidation des Mesoxalats zu CO 2 und eine Reduktion des Sauerstoffs zu Wasser statt [45]. Der in Abb. 1.10 dargestellte Oxalat-verbrückte Kupfer(II)-Komplex des Liganden BFBD wurde kürzlich potentiometrisch untersucht [36]. Die beobachteten mono- und dinuklearen Kupfer(II)-Spezies entsprechen denen von BISDIEN in Tabelle 1.1. Die Bildungskonstanten des BFBD-Kupfer(II)-Oxalat-Systems sind in Tabelle 1.2 dargestellt.

Tabelle 1.2: Stabilitätskonstanten des BFBD-Kupfer(II)-Oxalat-Systems (μ = 0.1 M, KCl)

Das Substrat Oxalat wird sowohl von den mononuklearen als auch von den dinuklearen Kupfer(II)-Komplexen des BFBD-Systems gebunden. Auch die protonierte Form von BFBD ^6.39 für die besitzt eine schwache Affinität zu Oxalat. In der Bildungskonstante von K = 10 [BfCu 2 Ox] Spezies zeigt sich die hohe Affinität des Systems zu Oxalat (siehe dazu auch Abb. 1.10). Das Speziesverteilungsdiagramm in Abb. 1.15 für das System BFBD : Oxalat : Kupfer(II) im Verhältnis 1 : 1 : 2 zeigt deutlich die Dominanz der Oxalat-verbrückten Spezies fast über den gesamten pH-Bereich. Alle anderen Spezies spielen eine untergeordnete Rolle.

Abb. 1.15: Speziesverteilungsdiagramm für eine Lösung im molaren Verhältnis 1:1:2 BFBD : Oxalat : Kupfer(II) bei 25 °C

1.3 Zweikernige, makrocyclische Metallkomplexe als

Vermittler von Hydrolyse- und Redoxreaktionen

Als Vermittler für Hydrolysereaktionen können bereits die protonierten Polyazamakrocyclen Substrate über elektrostatische Wechselwirkungen aktivieren. Neben dem Vorteil der Wasserlöslichkeit besitzen sie eine hohe positive Ladungsdichte, welche die Komplexierung anionischer Substrate ermöglicht. Hosseini und Lehn [34, 52] haben die Anbindung von AMP, ADP und ATP an verschiedene Polyammonium-Makrocyclen untersucht. Weitere Arbeiten befaßten sich mit der ATP-Hydrolyse durch protonierte Makrocyclen [53]. Als der effizienteste makrocyclische Ligand für die Hydrolyse von ATP stellte sich BISDIEN heraus [57]. Die ATP-Hydrolyse konnte durch ³¹ P-NMR-Spektroskopie bei pH 7 verfolgt werden. Potentiometrische Untersuchungen haben ergeben, daß BISDIEN in diesem pH-Bereich hauptsächlich in der vier- und fünffach protonierten Form vorliegt [25]. Abbildung 1.16 zeigt den schematischer Kreislauf für die katalytische ATP-Hydrolyse [58]. Die wannenförmige Konformation des protonierten BISDIEN-Liganden konnte in einer Kristallstruktur des Hexachlorids beobachtet werden [57].

Abb. 1.16: Schematische Darstellung des möglichen Katalysezyklus der ATP-Hydrolyse durch den Liganden BISDIEN

Der Komplex [Co 2 (OH)O 2 (BISDIEN)Ox] ⁺ [47, 59] kann eine Redoxreaktion zwischen zwei koordinierenden Substraten vermitteln. Abb. 1.17 zeigt den postulierten Mechanismus für die Oxalatoxidation durch den koordinierten Sauerstoff bei 45 °C und pH 6.99. Dieser Reaktionsweg wurde durch UV-Messungen und den quantitativen Nachweis des entstehenden CO 2 bestätigt.

Abb. 1.17 Postulierter Mechanismus für die Oxalatoxidation durch Sauerstoff im zweikernigen BISDIEN-Cobaltkomplex

15

Auch für den Komplex [Co 2 (OH)(O 2 )(Ps)(BISDIEN)] ³⁺ (Ps = Phosphit) wurde eine vergleichbare Redoxreaktion beobachtet [60]. Bei einer Erwärmung auf über 60 °C durchläuft der μ-Peroxo-μ-Phosphito-Dicobaltkomplex eine interne Redoxreaktion, bei der das gebundene Phosphit in einer Zwei-Elektronen-Oxidation zum Phosphat oxidiert wird, während der gebundene Sauerstoff zu Wasser reduziert (Abb.1.18) und die beiden Metallzentren zu Cobalt(III) oxidiert werden. Der von Motekaitis und Martell vorgeschlagene Mechanismus wurde durch ³¹ P-NMR und ¹⁸ O-Austauschexperimente bestätigt.

Abb. 1.18 Vorgeschlagener Mechanismus für die Oxidation von Phosphit zu Phosphat im Komplex [Co 2 (OH)(O 2 )(Ps)(O-BISDIEN)] 3+

Eine direkte Beteiligung des makrocyclischen Liganden an einer Redoxreaktion wurde für den zweikernigen Kupferkomplex von (MX) 2 (DIEN) 2 (Abb. 1.19) nachgewiesen [61]. Wahrscheinlich wird bei der Reaktion des zweikernigen Kupfer(II)-Komplexes mit Sauerstoff zunächst ein Oxo-verbrücktes Intermediat gebildet. Dieses Intermediat reagiert dann zu einer sogenannten μ-Hydroxo-μ-Phenoxo-Spezies. Die anschließend durchgeführte Hydrolyse des entstandenen Komplexes und die massenspektrometrische Untersuchung der Produkte bestätigt den vorgeschlagenen Mechanismus. Bei Verwendung von ¹⁸ O 2 statt ¹⁶ O 2 wurden die

Abb. 1.19: Mechanismus für die Kupfer(I)-vermittelte Hydroxylierung von (MX) 2 (DIEN) 2

16

entsprechenden Massenpeaks um 2 erhöht, wodurch gezeigt werden konnte, daß der molekulare Sauerstoff, der vorher eingeleitet wurde, an der Reaktion beteiligt ist. Da die Enzyme Tyrosinase und Dopamin-β-hydroxylase, deren Aufgabe die Übertragung von Sauerstoff auf organische Moleküle ist, ebenfalls eine zweikernige Kupfer(I)-Einheit als aktives Zentrum besitzen, stellt der hier beschriebene Komplex eine bioanorganische Modellverbindung für diese Enzyme dar.

1.4 Bioanorganische Relevanz zweikerniger, makrocyclischer Metallkomplexe

Zweikernige Metallkomplexe werden, wie im letzten Kapitel gezeigt, als bioanorganische Modellverbindungen für bestimmte Enzyme diskutiert. Die selektive Bindung und Aktivierung des Substrats durch ein zweikerniges Metallzentrum innerhalb des Enzyms ist in einigen Enzymen Voraussetzung für die Katalyse-Reaktion. Die Metall-Metall-Abstände liegen häufig im Bereich 3 - 5 Å. Zweikernige makrocyclische Metallkomplexe sind als Modelle für die Struktur des zweikernigen Metallzentrums, manchmal auch zur Nachahmung der Substrataktivierung und Katalysereaktion relevant.

Im folgenden sollen einige ausgewählte dinukleare Metalloproteine vorgestellt werden.

1.4.1 Dinukleare Kupferproteine

Kupferproteine werden nach den EPR-spektroskopischen Eigenschaften ihrer aktiven Zentren in drei Gruppen aufgeteilt [62, 63]. Bei Typ I und Typ II handelt es sich um einkernige Kupferproteine, deren Kupfer-Zentren entweder in der verzerrt-tetraedischen oder der quadratisch-planaren Koordination vorliegen. Typ III enthält dinukleare Kupferzentren, die antiferromagnetisch gekoppelt sind. Die Aufgabe der Typ III Kupferproteine liegt in dem Transport und der Aktivierung von Sauerstoff (Catecholoxidase, Tyrosinase).

Abb. 1.20: desoxy-Hämocyanin und oxy-Hämocyanin [67]

17

Hämocyanin ist ein Sauerstofftransportprotein, das Sauerstoff reversibel als Peroxid ² : η ² -Form gebunden (Abb. 1.20). aufnimmt [64]. Der Sauerstoff wird dabei in der μ-η

Die Röntgenstrukturanalyse der desoxy-Form zeigt zwei koordinativ ungesättigte Kupfer(I)-Zentren, die jeweils durch einen schwach (∼ 2.7 Å) und zwei stark (< 2.0 Å) gebundene Histidinreste am Proteingerüst verankert sind [65, 66, 67].

Das Enzym Tyrosinase besitzt ein ähnlich aufgebautes Kupferzentrum wie das Hämocyanin [68]. Monophenole werden hierbei zunächst zu Catecholen in ortho-Stellung hydroxyliert (Oxygenase-Aktivität) und in einer zweiten, von der Tyrosinase katalysierten Reaktion, weiter zu ortho-Chinonen oxidiert (Catecholase-Aktivität). Abb. 1.21 zeigt den von Solomon et al. nach spektroskopischen Studien vorgeschlagenen Mechanismus [64, 69].

Abb. 1.21: Mechanismus der Cresolase- und Catecholase-Aktivität der Tyrosinase

Die in Pflanzen und Bakterien vorkommende Catecholoxidase ist ebenfalls ein Typ 3-Kupfer-Protein. Aufgrund der fehlenden Hydroxylierungsaktivität wird das Kupferprotein zu den Oxidasen gezählt. Der Kupfer-Kupfer-Abstand im aktiven Zentrum beträgt den röntgenabsorptionsspektroskopischen Untersuchungen zufolge 2.93 Å [70]. Dies wurde auch durch eine kürzlich in der Arbeitsgruppe Krebs et al. durchgeführte Röntgenstrukturanalyse

18

bestätigt [71]. Die antiferromagnetische Kopplung wird durch einen μ-Hydroxo-Liganden verursacht. Damit liegen die Kupferatome viel näher zusammen als bei anderen Typ 3-Kupferproteinen.

1.4.2 Aminopeptidase, ein dinukleares Zinkprotein

Die Aminopeptidasen bilden eine wichtige Untergruppe der Zink-abhängigen Proteasen [72, 73, 74]. Diese Enzyme katalysieren die Hydrolyse der amino-terminalen Peptidbindung in Polypeptiden. Die Aminopeptidasen besitzen ein oder zwei Zinkionen im aktiven Zentrum. In jüngster Zeit konnten die Strukturen der Aminopeptidase aus Aeromonas proteolytica [75] und der Leucin-Aminopeptidase aus Rinderlinse [76] kristallographisch geklärt werden. Auch die Struktur der Methionin-Aminopeptidase aus Escherichia coli mit zwei Cobalt(II)-Ionen im aktiven Zentrum wurde beschrieben [77]. Innerhalb der beiden Zinkenzyme werden die Metallionen im aktiven Zentrum jeweils durch die Bindung an vier Aminosäureseitenketten des Proteins fixiert. Charakteristisch für beide Zink-Enzyme ist die Gegenwart eines verbrückenden Hydroxid-(oder H 2 O)- Coliganden (Abb. 1.22) [78, 79].

Abb. 1.22: Struktur des aktiven Zentrums in der Leucin-Aminopeptidase aus Rinderlinse (rechts) und der Aminopeptidase aus Aeromonas proteolytica (links)

Die beschriebenen Beispiele zeigen die Relevanz der beiden Metallzentren innerhalb der dinuklearen Metalloenzyme. Die spezifische Anbindung eines Substrats wird dabei durch die Präorganisation der Metallzentren gesteuert. Es besteht daher ein großes Interesse am Verständnis der die Substratanbindung und -aktivierung bestimmenden Faktoren und der Nachahmung durch entsprechende Modellkomplexe.

19

2 Zielsetzung

Im Mittelpunkt dieser Arbeit stand die Synthese und Charakterisierung zweikerniger Übergangsmetallkomplexe makrocyclischer Liganden und die Untersuchung der Wechselwirkungen dieser Komplexe mit verbrückenden anionischen Substraten. Ziel war, zwei Metallkationen durch den Makrocyclus räumlich so zu fixieren, daß es zu sterischen Behinderungen zwischen den Coliganden X kommt (X = Solvens, Anion).

Im einzelnen sollten folgende Aspekte untersucht werden:

a) Der Einfluß der sterischen Behinderung auf die Konformation des Makrocyclus und die Koordinationsgeometrie der Metalle,

b) der Einfluß auf die Affinität der Komplexe zu Substraten, die die Coliganden X substituieren und verbrückend an beide Metallionen koordinieren.

20

3 Makrocyclische Metall-Komplexe mit ungewöhnlichen Rezeptoreigenschaften

3.1 Synthese und Charakterisierung der Liganden

3.1.1 Synthese und Charakterisierung von 2,6-Pyridindicarbaldehyd

und 1,4-Diamino-2-butin

Die Synthese von 2,6-Pyridindicarbaldehyd erfolgt nach Literatur [80] über eine Oxidation von 2,6-Bis(hydroxymethyl)pyridin mit Selendioxid in Dioxan. Die erhaltenen ¹ H-NMR-Signale (Tabelle 3.1) und der Schmelzpunkt sind in guter Übereinstimmung mit den

Literaturdaten.

Abb. 3.1: Darstellung von 2,6-Pyridindicarbaldehyd

1,4-Diamino-2-butin wird nach einer literaturbekannten Gabrielsynthese [81] dargestellt. Zunächst wird das 1,4-Diphthalimido-2-butin durch Umsetzung von Kaliumphthalimid mit 1,4-Dichlorbutin hergestellt.

Abb. 3.2: Darstellung von 1,4-Diamino-2-butin

21

Nach der Reaktion des N-Alkylphthalimids mit Hydrazin und anschließender saurer Hydrolyse erhält man das Ammoniumsalz des Diamins. Das eigentliche 1,4-Diamino-2-butin wird jeweils kurz vor der weiteren Verwendung durch eine Neutralisation mit

¹ H-NMR wird das erwartete Singulett bei Natriummethanolat in Methanol gewonnen. Im

3.19 ppm in D 2 O beobachtet. Der Schmelzpunkt liegt mit 37-39 °C in guter Übereinstimmung mit dem Literaturwert (42-46 °C [82]).

¹ H-NMR-Signale von Pyridin-2,6-dicarbaldehyd in CDCl 3 Tabelle 3.1:

3.1.2 Darstellung und Charakterisierung der Makrocyclen L 1 und L 2

Durch eine templatfreie [2+2]-Schiffbase-Kondensation von Pyridin-2,6-dialdehyd und

1 , welcher durch anschließende 1,4-Diamino-2-butin in Methanol entsteht der Makrocyclus L

Reduktion der Iminogruppen (Abb. 3.3) mit Natriumborhydrid in Eisessig in L werden kann. Die Synthese wurde 1995 von S. Warzeska und R. Krämer beschrieben [37].

1 und L 2 Abb. 3.3: Darstellung der makrocyclischen Liganden L

L 2 ist aus zwei 2,6-Bis(aminomethyl)pyridin-Einheiten aufgebaut, die durch zwei starre CH 2 C≡CCH 2 -Spacer verbunden sind. Eine Vielzahl ditoper Liganden dieses Typs, in denen