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Diseño de catalizadores

  1. 1. DISEÑO DE COMPLEJOS DE COBRE Y ESTUDIOS DEREACTIVIDAD EN LA ACTIVIDAD MONO FENOLASA YCATECOLASA SOBRE SUSTRATOS Rolando Calero Mendoza PhD* * Centro de investigación de Ingeniería Industrial, Fac. de Ingeniería Industria. Universidad Estatal Península de Santa Elena (UPSE). Campus La Libertad, vía principal Santa Elena- Santa Elena La libertad Ecuador. e-mail: rcalero30@hotmail.com  Resumen Se ha estudiado la reactividad de ciertos metaloenzimas de cobre y algunos complejos de Cobre sintéticos quepresentan reactividad frente a sustratos, a través de la interacción con el oxígeno molecular, además se haobservado en las varias formas en como ocurre esta interacción y la razón por la cual porque unos actúan conel oxigeno para ser transportadores como las Hemocianinas y otros formando aductos para mediar reaccionesquímicas hacia ciertos sustratos fenólicos. También se propone una revisión de los mecanismos para lahidroxilación de fenoles y la oxidación a quinonas, encontrando una dependencia atribuible a factores estéricosy redox en la unión catalizador-sustrato.Palabras claves: complejos de cobre, tirosinasa, oxidación, catálisis, metaloenzimas.  Abstract  The reactivity of certain copper metalloenzymes and some synthetic copper complex has been studied, showingreactivity with substrates, through interaction with the molecular oxygen. Also they has been observed theseveral forms they interact and the reason why some of this act with the oxygen to be carrier as for exampleHemocyanins, and others forming adducts to mediate chemical reactions towards certain phenolic substrates. Itis also proposed a review of the mechanisms for phenol hydroxylation and oxidation to Quinone. Findingdependence to esteric and redox factors in the bond substrate-Cu complex. Key Words: dimeric copper complexes, oxidation, catalysis, tirosinase, metalloenzymes.     1. Introducción. Estos sustratos que podrían ser potencialmente peligrosos y contaminantes como los fenolesLas monooxigenasas son enzimas que juegan un rol generados en la industria. La presencia de fenoles,preponderante en la biosíntesis, degradación y tienen gran importancia dentro de los procesostransformación de una variedad de compuestos industriales y el medio ambiente debido a susbiológicamente activos como aminoácidos, lípidos múltiples usos y aplicaciones dentro de lasy azucares, así como en procesos ambientales de industrias como por ejemplo desinfectantes,degradación de la materia orgánica del suelo y la plaguicidas, antisépticas, edulcorantes, oxidantes,fijación de oxígeno atmosférico. Este hecho hace colorantes y detonantes, pero también es conocidaque se encuentren ampliamente distribuidas en la su toxicidad es decir por su presencia de ellosnaturaleza tanto en microorganismos aeróbicos como contaminantes tanto por casusas naturalescomo en células de animales y plantas. En todos los como por su aporte debido a actividades humanascasos se manifiesta su enorme capacidad de mediar que aumenta el riesgo de dispersión en el medioreacciones de oxidación a muy altas velocidades, ambiente2. De ahí la importancia de conocer mássiendo además selectivas en condiciones sobre catalizadores que lleven a cabo laambientales hacia sustratos1. degradación de estas moléculas debido a que el grado de contaminación de los ecosistemas y la reducción o eliminación de su efecto contaminante
  2. 2. se tornaría notablemente importante con estos cataliza exclusivamente la oxidación de catecoles aalcances científicos. Los fenoles vertidos al medio quinonas sin actuar sobre la tirosina.ambiente sufren un proceso de dispersión quedepende de sus propiedades físico – químicas, por Para la comprensión y estudios de lasello resulta vital prestar interés a su origen, características y mecanismos por los cuales se hacemigración y distribución en los ecosistemas. posible la catálisis oxidativa en metaloenzimas, numerosos investigadores han recurrido a la Muchos fenoles presentan gran toxicidad debido a modelación química mediante el diseño desu fácil absorción en animales y el hombre a través compuestos de coordinación simples tratando dede la piel y las membranas mucosas. Su toxicidad emular y simplificar las propiedades enzimáticas.afecta directamente a gran variedad de tejidos,órganos, sistemas de órganos e incluso a los Estos diseños se basarían en propiedadescromosomas2. espectroscópicas que ponen en evidencia las probables estructuras de estos compuestos4. Otro ejemplo de importancia de la acción catalíticade enzimas y catalizadores sintéticos lo tenemos en Todos estos diseños tienen una aplicación de granla síntesis de catecolaminas como la dopamina, utilidad ya que estos modelos químicosnoradrenalina y adrenalina, que actúan como biomiméticos darían pistas hacia el desarrollo demediadores químicos en la transmisión adrenérgica nuevos instrumentos de detección de enfermedadesy que son sintetizadas a partir del aminoácido relacionados con la carencia de catecolaminastirosina. Este precursor circula en el torrente (adrenalina, noradrenalina, dopa) cuyos orígenessanguíneo el cual es captado por los axones están relacionados con el déficit de dopamina. Pormediante un mecanismo de transporte activo. Sobre ejemplo tenemos la enfermedad de Parkinsonla tirosina actúa una enzima que es la enfermedad cual cuyo origen es el déficit de DOPAtirosinhidroxilasa que es la encargada de trasferir en la transmisión adrenérgica, déficit que a su vezgrupo OH para convertirla en dioxifenilalanina o estaría involucrado una disminución de la enzimaDOPA. Esta enzima es estereoespecífica y muestra tirosinasa (figura 2).un alto grado de especificidad por el sustrato elcual representa la etapa limitante en la biosíntesis O Ode la noradrenalina1,3,4. O2 HO OH OH NH2 NH2 Luego sobre la DOPA actúa una nueva enzima que HO Tirosinasa HO Dopaes la dopa-descarboxilasa para formar dopamina y Tirosina O2 Tirosinasaluego sobre esta actúa otra enzima que es ladopamin beta-hidroxilasa que introduce un grupo OOH en el carbono beta de la cadena lateral HO OHformando finalmente adrenalina (figura 1). NH2 HO HH N HH N Dopaquinona H H O Tirosinasa O O O HO Fenilalanina Tirosina Figura 2 Biosintesis de la dopamina CH3 H Dopa descarboxilasa O 2. Catálisis por metaloenzima de cobre Tirosinasa O NH2 HO HO HO Dopamina HO Dopa Los procesos catalíticos de oxidación mediados Dopamin beta hidroxilasa por enzimas de cobre son procesos complejos que involucran la participación del oxigeno formando OH OH N Metil transferasa parte de un aducto cobre/oxigeno. NH CH3 HO NH2 HO Existen pocos modelos cuyas estructuras se han HO HO Adrenalina Noradrenalina podido determinar por difracción de rayos X, donde el Oxigeno molecular O2 presenta diferentes Figura 1 Biosíntesis de catecolaminas arreglos con uno o dos centros de cobre4 (figura 3) Es así que mientras la tirosinasa cataliza lahidroxilación de la tirosina a DOPA (actividadcreolasa) y la oxidación de DOPA a dopaquinona(actividad catecolasa) a través de una transferenciaelectrónica de O2 al sustrato, la Catecol-oxidasa
  3. 3. O O centro binuclear de cobre el cual se encuentra en O Cu Cu Cu Cu Cu forma deoxi Cu(I) –Cu(I) en la forma original O O O enlazando reversiblemente al O2 y conduciendo a la 1,2 peroxo bis-oxo peroxo formación de especies μ-η2: η2 peroxo dicobre (II). O Cu - La estructura cristalina de la forma nativa de laCu O Cu O O. Hemocianina de la langosta (Panuliruis interruptus) (15), muestra un dímero de cobre (I) con distancias -1,2 peroxo superoxo entre ellos de 3.5 3.6 Ǻ con cada cobre (I) se oxida dando lugar a un peroxo complejo de cobre (II) Figura 3 Diferentes tipos de aductos de Cu/O2 Otra hemocianina (limulus polyphemus) que ha sido estudiada presenta casi la misma estructura cristalina en la forma oxigenada, mostrando dos Las caracterizaciones del centro Cu/O presente en átomos de cobre separados de 3.4 Ǻ de distanciaestos sistemas modelos ya sea por espectroscopia o en un complejo de tipo μ-η2: η2 peroxo dicobre(II).por difracción de rayos X, constituyen unafascinante área de la bioinorgánica que además es Estudios hechos en la catecol–oxidasa (16) de lacrucial para el futuro entendimiento de las patata dulce (Ipomoea batatas ) (EXAFS) revelaronreacciones de oxigenación mediado por las metalo que cada átomo de cobre presenta un numero deenzimas de cobre4. coordinación igual a cuatro con una distancia de 2.9 A para la forma original met cuyo centro activo Estas enzimas se denominan “Proteína de cobre es Cu(II) Cu(II) en donde ambos átomos de cobretipo tres” las cuales están involucradas en una presentan en la esfera de coordinación: ( μ-variedad de funciones biológicas como por ejemplo OH)Cu(His)3. La secuencia de esta proteínatenemos: la Hemocianina (Hcs) que tiene como muestra cierta analogía con la estructura primariafunción la de servir como transportador de O2 en de la proteína (hemocianina) con un sitio binuclearmoluscos y artrópodos; la Catecoloxidasa (COasa) de cobre aislado. Además se ha observadoque oxida ortodifenoles a ortoquinonas (actividad recientemente en estudios por rayos X que estadifenolasa) y Tirosinasa que cataliza la catecol oxidasa muestra que en la forma met solohidroxilación de monofenoles a orto-difenoles uno de los Cu del dímero coordina al sustrato(actividad monofenolasa ) con la subsiguiente fenólico.oxidación a ortoquinona3. La caracterización más detallada del enlace en esta La obtención de estructuras del sitio activo de enzima permite conocer más acerca de laestas proteínas por difracción de rayos X con coordinación de ortodifenoles. Los estudiosexcepción de la tirosinasa muestra que el oxígeno estructurales se ha comparados con los estudios deforma un aducto con la enzima en forma deoxi enlace de monofenoles con hemocianinaspara la hemocianina de la langosta (Panulirus activadas. Otros estudios de importancia soninterruptus); también se ha presentado la forma oxi aquellos que comparan la actividad mono yy deoxi en hemocianinas de ciertos crustáceos difenolasa en Hemocianinas de artrópodos. El(limulus polyphermus), formas oxi en mecanismo de activación ha sido explicado en baseHemocianinas de ciertos arácnidos y formas deoxi, de datos estructurales de hemocianinas de Limulusmet y enlace inhibido de la Carboxil-oxidasa en la polyphemus en el que el nitrógeno terminal de lapatata dulce ( Ipomoea batatas). Figura 4 fenilalanina (Phe49) es altamente conservado en las hemocianinas y catecoloxidasas; sin embargo en la N tirosinasa este residuo es empujado hacia el N N N O N N (II) exterior de la cavidad proteica permitiendo el (II) (I) (I) N Cu (II) (II) Cu N N Cu Cu N acceso libre para la entrada del oxígeno y sustratosN Cu Cu N N potenciales, que como en la tirosina ocuparían un O N N N N N espacio dentro de la cavidad de dicho centro activo deoxi oxi met del cobre; pero que debido a restricciones estéricas e interacciones hidrofóbicas entre el anillo fenil del sustrato y el aminoácido axial histidina (His 328) Figura 4 Aductos de O2 de las proteínas de cobre. en el Cu B y un residuo de tirosina (Thr 351) cercano al Cu A, habría impedimentos estéricos y solo una orientación posible. El resultado de esta De lo anteriores se tiene interesantes coordinación muestra el anillo fenilo casiobservaciones como por ejemplo que todos los perpendicular al plano Cu-O2-Cu con contactossitios activos contienen virtualmente el mismo cercanos de su grupo hidroxilo al Cu A y de su
  4. 4. posición orto a uno de los átomos de oxigeno del que puedan formar puentes con el oxígeno yligante peroxo. Posteriormente la proximidad de la posteriormente con el sustrato.posición orto del anillo aromático al O2 será Así tenemos los estudios de T. Moro-oka12 quienesencial para el proceso de hidroxilación. La diseño complejos dinucleares de cobre II condiferencia entre la actividad tirosinasa y ligantes tri y heptadentados basados en sistemas decatecoloxidasa se encontraría entonces en que en metalo enzimas. Estos estudios mostraron que laeste ultimo presenta uno de los centros de Cu reactividad de complejos de cobre hacia el catecolprotegido por un residuo de fenilalanina, lo cual puede estar afectada por factores estructurales asídificulta el acceso de sustrato fenólicos y por como también electrónicos.consiguiente restricción para la actividadmonofenolasa. Esto demuestra la importancia de Malachowski y colaboradores14 tambiénfactores estéricos en la actividad del centro de estudiaron la actividad catalítica en complejos decobre. cobre (II) utilizando ligantes tetradentados con anillos pirazol y benzilimidazol además de un Teniendo estas evidencias químicas y quinto ligante exógeno variable (figura 5). En susespectroscópicas se puede inferir que el sitio activo resultados encontró que los complejos con ligantesde la Hemocianina y Tirosinasa son virtualmente derivados del pirazol son mejores catalizadores queidénticos, y que la diferencia en su función se aquellos que utiliza benzilimidazol como ligantes.encontraría en la accesibilidad que presenta los La explicación se encontraría en el efecto estéricocentros activos para enlazar moléculas de sustratos. del anillo benzilimidazol que dificulta la interacción entre el sustrato y el centro de Cu. Por3. Estudios en modelos químicos5,6. otra parte el efecto del quinto ligante estaría relacionado fuertemente con la facilidad de Los esfuerzos por entender los procesos biológicos disociación para permitir la entrada del sustrato.de las enzimas de Cobre conocer sus centrosactivos y como se lleva a cabo los procesos H N N CH3catalíticos de oxigenación e hidroxilación ha hecho HO N HO N Nque investigadores se interesen en diseñar y N 2 2sintetizar modelos químicos que puedan servir H3Ccomo modelos funcionales o estructurales para la a) b)tirosinasa, catecol-oxidasa o enzimas de Curelacionadas6-28. Uno de los primeros trabajos ha Figura 5 Ligantes tripodales N3O tipo a) N,N-bis (2-sido el reportado por Nishida12, que obtuvo benzimidazol-metil)-1 hidroxi-2- aminoetano y b) N,N- bis(3,5 dimetilpirazol 1-metil)- 1 hidroxi-2-aminoetano.complejos cuadrados planar con pequeñasactividades catalíticas mientras que también obtuvocomplejos mononucleares de Cu (II) no planaresque mostraban un alto potencial catalítico. Nishidanotó que ciertos complejos dinucleares de cobre Casella y colaboradores15,16,17 mostraron que eltambién podrían catalizar el proceso de oxidación cambio en el diseño del catalizador puede afectarsiempre y cuando la distancia entre Cu y Cu es en alguna extensión su reactividad en reacciones demenor a 5 Ǻ. Concluyendo que el factor estérico oxidación de sustratos como también así como enentre el sustrato y complejos podría ser el factor los potenciales redox (figura 6).determinante para la actividad catalítica. También Me Memostró que dos centros metálicos deben localizarse + N Me + N +en posición adecuada para facilitar el enlace de dos Me N + N N N N N N N Noxígenos hidroxilos proveniente del catecol previo N N + Me Me + N N + Me Mea la transferencia de electrones. Esta teoría se + N N N N Nsustenta en la observación de complejosdinucleares de cobre generalmente son más activos L 55en la oxidación de catecoles que las L 66correspondientes especies mononucleares. NH N Me Me N + + N N En la mayoría de los complejos sintetizadoúltimamente también se puede generalizar un factor L6importante en el diseño de estos complejos y es quela mayoría contienen ligantes con grupos N- Figura 6 Estructuras de ligantes de Caselladadores de electrones como son: piridinas,imidazoles o benzilimidazoles que pueden variar desistemas bidentados a heptadentados con puentes Karlin a su vez4,9 sintetizó modelos cuyafenoxis o alcoxi o aun sin grupos endógenos para reactividad del catalizador hacia el sustrato se debe
  5. 5. a un ataque del anillo areno donde el LUMO del H3Cperóxido del centro peroxo/ Cu el cual tienecarácter π es atacado por el HOMO del carbonopróximo al carbono hidroxilado del anillo areno;donde por factores geométricos y electrónicos la Ohidroxilación del anillo xilil en estos sistemas Oocurre solo por carácter π* del Cu/peroxo (figura8). Cu Cu CH3 CH3 N N N N N N N N OH O N N N N Cu(I), O2 Cu(II), H O 2 Figura 8. hidroxilación del anillo aromatico por el aducto Cu/O2 CH3 CH3 N + + N N + + N De acuerdo a los estudios químicos y teóricos el proceso de hidroxilación del anillo fenólico por la + O + O N 3- 3- + + Cu Cu N N 3- acción de la tirosinasa se explicaría por medio de 3- + Cu Cu N + O + N N + O + N N un mecanismo de sustitución electrofílica aromática (Se) desde el centro peroxo Cu2O2 hacia sistema π del anillo aromático (11). Este carácter Figura 7. Mecanismo de hidroxilación propuesto por electrofílico del puente peróxido μ-η2: η2 ha sido Karlin explicado debido a que existe una gran cantidad de carga del centro binuclear Cu (II) haciendo menos negativa el O2 peróxido (figura 9) Se ha comprobado recientemente a través deespectroscopia Raman que la hidroxilaciónaromática ocurre vía la formación de unintermediario peroxo μ-η2: η2 en el que tanto porespectroscopia como por teoría de orbitales Omoleculares se demostró que la hidroxilación del O N Nanillo aromático ocurre por un mecanismo de Cu Cusustitución electrofílica. N N O   11 Figura 9 sustitución electrofilica del centro peroxo Cu2O2 Otros estudios mostraron complejos de cobre al sustrato fenólico/O2 del tipo μ-oxo de Cu (III) los cuales fueroncaracterizados estructural y espectroscópicamente, En cuanto a la actividad catecolasa23,24,25 losSe ha reportado también que estas especies son estudios de reactividad en complejos sintéticos decapaces de existir en equilibrio o interconvertirse cobre hacia catecoles incorporan tantos factoresen sus isómeros μ-η2: η2 dicobre (II) el espectro de estructurales como electrónicos como responsablesabsorción obtenido para el bis μ-oxo es muy de la actividad catalítica.diferente del peroxo con bandas en 324 y 448 nm Es conocido que cambios relativamente menores ensugiriendo que las bandas adicionales que aparecen el ambiente por efecto de los ligantes provocaríanen los 435 nm (modelos de Karlin seria derivado de cambios sustanciales en sus propiedades catalíticas.un centro bis μ-oxo. Es posible que una pequeñacantidad de este compuesto bis μ-oxo fuera la Pero no solo se ha estudiado la reactividad de loscausante de la reactividad. Se ha propuesto también complejos de cobre hacia sustratos, también se hanque puede existir un rápido equilibrio entre estos hecho diversos estudios sobre el mecanismo dedos isómeros en donde ambos podrían ser acción respectos al tipo de reacción donde especiesresponsables de la reacción de hidroxilación. Sin cobre/dioxigeno son los responsables de la catálisisembargo la viabilidad de que la especie oxo sea un de oxidación de catecoles para la formación de laintermediario estaría por demostrarse. (Figura 8) quinona correspondiente. Los mecanismos planteados se pueden resumir en el esquema siguiente. Figura 10.
  6. 6. mecanismo de reacción, por lo que no provocaría la II II Cu Cu DTBCH2 2OH2 transferencia electrónica deseada y la posterior DTBQ + 2OH 2 paso c) DTBQ + 2H + hidroxilación del sustrato. + H2 O 2 paso d) H2O 2 + 2H paso a) I I Además de lo anterior algunos factores de tipo estérico y geométrico podrían influenciar en la Cu Cu O2 capacidad de hidroxilar a fenoles como por ejemploDTBCH2 + 2H + 2H + DTBQ + H 2O 2 el hecho de que el sustrato de tirosinasa enlace a un paso b) centro de cobre de ambiente tetracoordinado (CuI) DTBCH2 el cual pasaría posteriormente hacia un re-arreglo Cu II (O2) -2 Cu II   bipiramidal trigonal (CuII) adecuando de estaFigura 10 Mecanismos de oxidacion de catecoles forma un sitio adecuado para que se produzca lamediados por complejos binucleares de cobre entrada del sutrato fenólico. Por lo tanto los éxitos encontrados en modelos Aunque las investigaciones en complejos químicos mono y binucleares que propician labinucleares de cobre que sirven como modelos formación de un aducto fenolato tienen que ver conenzimáticos han alcanzados grandes progresos aun la semejanza con el modelo biológico original.no está completamente dilucidado como se lleva acabo los procesos de oxidación sobre substratos 5. Análisis comparativo con sistemas reportados.externos. El conocimiento del mecanismo daría unmayor conocimiento de cómo operan las reacciones 5.1 Sistemas sintéticosenzimáticas así como dar una base de soporte paradesarrollar la síntesis de nuevos catalizadores para La actividad catalítica de un gran número deoxidaciones selectivas. complejos de cobre. Los resultados se han correlacionados con diversos factores entre los que Estudios de los mecanismos de reacción realizados destacan factores estéricos y potenciales de oxidopor Manzur11,23 y colaboradores han mostrado que reducción. Malachowski y colaboradores hanel di 2 piridil metano y sus derivados metilados reportado la actividad catalítica de algunas seriesforman complejos mononucleares con cobre (I) y de complejos mononucleares de cobre (II) con losmononucleares con cobre (II) estos complejos de ligantes tetradentados (cita) tris(2- piridilmetil)cobre catalizan la oxidación de fenoles por oxigeno amina, tpyma, tris(2-piridiletil)amina, tpyea, trismolecular dando el producto de acoplamiento (3,5 dimetilpirazol-1-il-etil) amina, tpzea y trisoxidativo al usar como sustrato 2, 5 diterbutil fenol (3,5-dimetil-pirazol-1-il-metil)amina tpzma(figura). los correspondientes complejos de cobre (II)catalizan la oxidación aérobica de 3, 5 diterbutilcatecol DTBCH2 a la quinona 3, 5 diterbutil o-benzoquinona DTBQ. Los estudios cinéticos N N Nmostraron la existencia del equilibrio N 3 3 + tpyma tpyea2Cu (II) + DTBCH 2 2Cu(I) + DTBQ + 2 H CH3 CH3La especie de cobre (I) en estos casos resulta ser Nactiva en el proceso catalítico. Los datos cinéticos + N + N Nse pueden racionalizar suponiendo la interacción Ndel complejo cuproso con oxígeno para generar N 3 CH3una especie superoxo. La existencia de este CH3 3equilibrio así como la posible participación de una tpzma tpzeaespecie superoxo en la oxidación catalítica delcatecol en lugar de una reacción irreversible es una Figura 11 Ligantes utilizados por Malachowski.propuesta novedosa en el estudio de estoscatalizadores. Para explicar las diferencias en la actividad catalítica de esta serie de complejos se consideran4. Actividad fenolasa de complejos de cobre factores como propiedades electroquímicas geometría alrededor del centro metálico, la Muchos modelos sintetizados que intentan emular naturaleza de los átomos dadores de electrones, sula acción tirosinasa13,30 no han mostrado actividad basicidad y los factores estéricos impuestos por losmonofenolasa probablemente la razón se encuentre ligantes. Se encuentran que un factor importanteen que la formación de un aducto fenolato con el sería el potencial de reducción de manera quecentro de cobre no ocurre en uno de los pasos del
  7. 7. exista un balance entre la facilidad de reducción y catecol a bajas concentraciones alcanzando unsubsiguiente reoxidación por el oxigeno molecular. valor asintótico con el aumento de la concentración. Un tratamiento sobre la base del Si bien este sería un requisito necesario no es modelo de Michaelis Menten originalmentesuficiente, ya que complejos con casi idénticos desarrollado para catálisis enzimática permitepotenciales muestran muy diferentes actividad. describir los resultados. Aunque el mecanismoOtro factor importante sería el efecto estérico. puede ser mucho más complicado, este tratamientoDiferencias en el efecto estérico se pueden es suficiente para la descripción de la cinética enmanifestar de varias maneras, estas incluyen muchos casos.diferencias en la hidrofobicidad de los complejos,accesibilidad del substrato al ion metálico debido al Las diferencias en actividad se relacionan convolumen del ligante y el match estérico entre el factores geométricos, principalmente incluyendo lasustrato y el complejo. Se ha demostrado que la distancia Cu-Cu en el centro binuclear. Complejostrasferencia electrónica desde el catecol al cobre en conformaciones relajadas energéticamente(II) solo puede tener lugar después que se forme el favorables exhiben una actividad pobre. En cambiointermediario Cu–catecolato. Esto requiere de un estructuras de coordinación mas tensionadas sonsitio de coordinación vacante accesible en el metal más activas. Otro factor importante estápara que la coordinación del catecol ocurra. relacionado con la facilidad de interacción con el substrato para la formación del intermediario Cu- Chyn y Urbach3 reportan la actividad catalítica de catecolato. El uso de ligante voluminosos quedos complejos binucleares (Cu2(BLEP)(OH))2 (1) y imponen un gran impedimento estérico alrededor(Cu2(LEP)2)+2(2) (figura 11) de los centros metálicos resulta en una actividad +2 +2 disminuida. N OH N N S Los mecanismos de reacción postulado plantean N Cu Cu N Cu Cu una primera etapa donde el complejo de cobre (II) interactúa con el catecol generando la quinona con N N N S S N N S la consiguiente reducción a la especie de cobre (I) (Cu2(BLEP)(OH)) +2 (1) (Cu2(LEP)2) +2 (2) esta reacciona con el oxigeno para da un intermediario Cu-O2generalmente del tipo peroxoFigura 11 Complejos utlizados por Chyn y Urbach regenerando la especie de Cu(II) o interactuando con el catecol. La velocidad de oxidación en ambos casos resultaser de primer orden en complejos y oxígeno e La cinética observada depende de las velocidadesindependiente de la concentración del DTBCH2. relativas de las distintas etapas posibles. Es asíLas constantes de velocidad especificas resultaron como algunos sistemas muestran una primera faseser 1.17 x 102 y 1,29 M-1s-1 respectivamente. Así, el muy rápida mientras que la segunda puede ser muycomplejo (1) que contiene el ligante binucleante es lenta dependiendo de la reactividad del complejomejor catalizador por dos órdenes de magnitud. de Cu(I) formado en la primera etapa.Esta diferencia se puede generar debido a unamejor interacción entre la unidad binuclear y el En otros casos la oxidación de la especie de Cu(I)oxigeno. es rápida y entonces la velocidad de formación de la quinona depende de la velocidad de la reacción Si el grupo OH puente se pierde debido a la de transferencia de electrones en el intermediarioreducción, entonces existiría una muy favorable catecolato. Por último la especie intermediario Cu-interacción vía formación de una especie μ-peroxo- O2 puede reaccionar con el catecol de variasdi-cobre (II) donde el peróxido puente puede unir maneras. Esto hace que la comparación entredos posiciones ecuatoriales de ambos átomos de distintos sistemas catalíticos sea muy difícil, ya quecobre. El complejo (2) puede disociarse en algún para obtener información confiable respecto delgrado en la forma reducida negando así las ventajas efecto de alguno de los factores que modulan ladel complejo (1). En general la actividad catalítica actividad es necesario que el mecanismo a travéses superior a la mostrada por complejos del cual ocurre la reacción sea el mismo.mononucleares, lo que muestra la ventaja de doscentros de cobre para la oxidación vía dos En los sistemas estudiados en complejos conelectrones del DTBCH2. ligantes binucleantes metaxilil29,30 solo se compara los resultados con ligantes L1 y L3 . el ligante Otros autores24-28 han estudiado la actividad metilado resulta mejor catalizador que aquellos sincatalítica de complejos binucleares de cobre (II) en metilar aunque el potencial de oxidación es másdiversos medios y encuentran una dependencia de positivo con el ligante metilado (0,22 y 0,3 V) parala velocidad de la reacción con la concentración del L1 y L3 para la oxidación de la especie Cu(I) el
  8. 8. corrimiento del potencial de oxidación hacia k2 k3 k4potenciales más positivos al incorporar grupos Emet + S EmetS Edeoxi + O 2 Eoxi + S k-2 k-4metilo en la posición 6 del anillo ha sido observado Qpara otros ligante piridinicos este efecto se ha k5 k-5explicado por la repulsión estérica entre el grupo k6 EoxiSmetilo y el centro metalico que provoca cambios en Emetla geometría alrededor del centro metálico. La Qmayor actividad catalítica observada con el Figura 13 mecanismos de reacción cinética para lacomplejo con el ligante L3 se podría explicar actividad difenolasa de la tirosinasa.suponiendo una mayor reactividad delintermediario Cu/oxigeno inducida por el efecto En este mecanismo la especie deoxi únicamenteestérico del grupo metilo en una estructura mas puede reaccionar con oxígeno pero no con eldistorsionada. catecol por otro lado las especies que reaccionan con el cateco son las formas met y oxi3. Las etapas Si se comparan los parámetros de Michaelis limitantes de la velocidad de reacción en esteMenten de los complejos reportados en la literatura mecanismo corresponden a las etapas de formacióncon aquellos correspondientes a estos Cu de los aductos enzima sustrato, siendo la velocidadcomplejos se puede observar que son del mismo de reacción en la forma met mas rápida que con laorden de magnitud; El complejo con el ligante L2 forma oxi. Esta diferencia en actividad se atribuyeactúa a través de un mecanismo diferente donde se a la dificultad de acceso del catecol al sitio activoformaría una especie intermediaria Cu catecolato que estaría modulando por factores de tipo estéricoque finalmente genera quinona por reacción con el y de polaridad para las dos formas de la enzima.oxígeno. Este comportamiento donde latransferencia electrónica no ocurre en la especie Cu En sistemas modelos sintéticos se podría postularcatecolato ha sido observado para otros complejos también que la especie de cobre (II) (quecon ligantes similares. correspondería a la forma met en la tirosinasa) reacciona con el sustrato para generar la quinona y Un mecanismo resumido de los diversos pasos a la forma deoxi sin que aparezca explicito latravés de los cuales puede ocurrir la oxidación del formación de un aducto catalizador sustrato. Lacatecol catalizada por complejos de cobre (I) o de forma deoxi es la que reaccionaria en estoscobre (II) se muestra en la figura. sistemas con el oxigeno para generar la especie oxi. II II Cu Cu 6. Conclusiones DTBCH2 2OH2 DTBQ + 2OH 2 paso c) DTBQ + 2H + La influencia de la estructura del catalizador sobre H2 O 2 paso d) H2O 2 + 2H + la actividad catalítica estaría relacionada paso a) I I principalmente con factores estéricos así como por Cu Cu potenciales de oxido reducción. Aparentemente O2 existe un intervalo óptimo de potenciales necesario para que ocurra la catálisis. Sin embargo este solo + +DTBCH2 + 2H 2H DTBQ + H 2O 2 paso b) sería un requisito necesario pero no suficiente. DTBCH2 II -2 II Cu (O2) Cu DTBCH2 Por lo tanto los factores principales que afectan la DTBCH2 actividad catalítica de los complejos de cobre en la DTBQ + H 2O oxidación de catecoles por oxigeno molecular se DTBQ pueden destacar factores estéricos y potenciales de II -2 II Cu (O) Cu DTBCH2 H2 O 2 oxido reducción. O2 H 2O II II -2 Los mecanismos a través de los cuales puede CuFigura 12.- posibles mecanismos de oxidacion de 3-5 Cu DTBC ocurrir la oxidación del 3-5 diterbutil catecolditerbutil catecol catalizado por complejos de cobre catalizada por complejos de cobre incluyen diversos pasos donde dos de las etapas claves5.2 Sistemas biológicos corresponden a la interacción del complejo de cobre (I) con el oxígeno molecular y la posterior El mecanismo de reacción más aceptado para la reacción del intermediario formado con el sustrato.actividad difenolasa en la tirosinasa (Agaricusbisporus) es aquella que toma en consideración la Dependiendo de las velocidades relativas de laspresencia de tres formas de la enzima (oxi, deoxi, etapas individuales se obtienen cinéticas distintasmet) siguiendo el siguiente esquema. para los diferentes catalizadores. Este hecho hace que la comparación entre distintos sistemas se haga
  9. 9. difícil ya que se requiere un mecanismo comúnpara evaluar el efecto individual de algunos de los Los compuestos fenólicos son contaminantesfactores que determinan la actividad. introducidos en los ecosistemas producto de la descomposición de la vegetación y de las descargas de aguas de desecho industriales de diversos tipos. Las diferencias estructurales de los ligantes hacia Los fenoles constituyen un alto riesgo para losel complejo de cobre se manifiestan no solo en una ecosistemas, los organismos que habitan en dichosdiferencia de actividad de los complejos formados ambientes y el hombre.sino que además provoca cambios en losmecanismos de reacción.7. Bibliografía.1.- . Kaim, Wolfgang; Schwederski, Brigitte. 13.- T Hashimoto T Morooka (1991) J Am. Chem.Bioinorganic Chemistry: Inorganic Elements in the Society 113 5664.Chemistry of Life: An Introduction and Guide(2001), ISBN 13: 9780471943693. 14.- M. Malachowski B. Dorsey (1996) inorganic Chimica Acta 249 85 92.2.-Alekseev, V. A.; Antipin, B. N. 1976.Toxicological characteristics and symptom 15.-Casella A. Perotti E. Monzani (1999) Inor.complex of the acute phenol poisoning of certain Chem. 38 5259.freshwater crustaceans and mollusks. Abstract:Chem. Abs. 85: 117520r. 16.- Ilaria Gamba, Patrick Gamez, Enrico Monzani, Luigi Casella, Ilpo Mutikainen, Jan3.- J Kopin (1968) “ Biosynthesis and metabolism Reedijk, Selective Copper-Mediated Halogenationof catecholamines” 29 654. of Aromatic Rings Under Mild Conditions. European Journal of Inorganic Chemistry,Volume4.- K.D. Karlin progress in Inorganic Chemistry. 2011, Issue 28, pages 4360–4368, October 2011.Vol 57 (2012) by Jhon Wiley & Sons. ISBN 978-1-118-01063-1. 17.- Ilaria Gamba, Sara Palavicini, Enrico Monzani, Luigi Casella. Catalytic Sulfoxidation by5.-C.S. Foote, JS. Valentine (1995 “Active Oxigen Dinuclear Copper Complexes. Chemistry - Ain Chemistry” vol 2 de Balckie Academic & European Journa, Volume 15, Issue 47, pagesProfesional USA. 12932–12936, December 7, 20096.- Alexander Shilov and Georgiy Shul’pin. 18.- Mohamed El Kodadi, Fouad Malek, RachidActivation and Catalytic reactions of saturated Touzani, Abdelkrim Ramdani. Synthesis of newHydrocarbons in the presence of metal complexes tripodal ligand 5-(bis(3,5-dimethyl-1H-pyrazol-1-(2001) KluwerAcademic Publisher ISBN 1-4020- ylmethyl)amino)pentan-1-ol, catecholase activities0420-6 studies of three functional tripodal pyrazolyl N- donor ligands, with different copper (II) salts7.- B. Loeb I. Crivelli C. Andrade (1995) Inorganic Catalisis Comunications, Volume 9, Issue 5, 20Chimica Acta 21, 27 March 2008, Pages 966–969 50.-8.- E. Solomon, M Lowery (1992) Chem Rev 92521. 19.- Y. Toubi , R. Touzani , S. Radi , S. El Kadiri, Synthesis, characterization and catecholase activity9.- K.Karlin Y. Gultneh (1985) Journal Chemical of copper (II) complexes with bispyrazole tri-podalEducation 62, 883 988. Ligands, J. Mater. Environ. Sci. 3 (2) (2012) 328- 34110.- A. F. Cotton and G. Wilkinson (1980)Advance Inorganic Chemistry” Ed 4 John Willey 20. Bhardwaj, V.K., Aliaga-Alcalde, N., Corbella,and Sons New York. M., Hundal, G., Inorg. Chim. Acta 363 (2010) 97.11.- E. Spodine and J Manzur (1992 Coordination 21. Yang, M., Park, W.J., Yoon, K.B., Jeong, J.H.,Chemistry review 119 171. Lee, H., Inorg. Chem. Commun. 14 (2011) 189.12.-Nishida K takahashi H. Kuramoto (1981 22.-Belén Abarca , Ibon Alkorta , RafaelInorganica Chimica Acta 54 103. Ballesteros , Fernando Blanco , Mimoun Chadlaoui , José Elguero and Fatemeh Mojarrad.
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