Functional Synthetic Models of Cu-dependent Monooxygenases
铜依赖性单加氧酶的功能合成模型
基本信息
- 批准号:10229556
- 负责人:
- 金额:$ 37.1万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2020
- 资助国家:美国
- 起止时间:2020-09-01 至 2025-08-31
- 项目状态:未结题
- 来源:
- 关键词:BiochemicalBiochemistryBiologicalComplexCopperEnzymesEquationGenerationsHydrogen BondingHydroxylationIonsKineticsLigandsLyticMetalsMethaneMethane hydroxylaseMethodsMixed Function OxygenasesModelingModificationMononuclearOxidantsOxidation-ReductionOxidesParticulatePolysaccharidesPropertyProtocols documentationReactionResearch Project GrantsResearch ProposalsRoleSpectrum AnalysisStructureexperimental studyinterestmetalloenzymeoxidationprotonationscaffold
项目摘要
Project Summary:
In this research project, we develop synthetic inorganic copper complexes to understand the fundamental
aspects of structure and function in Cu-dependent monooxygenase enzymes. These metalloenzymes contain
1 or 2 Cu ions in their active center and they couple the reduction of O2 with the oxidation of substrates via
formation of transient Cun/O2 species. We are particularly interested in studying the reactivity of mononuclear
Cu/O2 intermediates since they have been proposed as active oxidants in the hydroxylation of strong C-H
bonds in enzymes such as particulate methane monooxygenases (pMMOs) and lytic polysaccharide
monooxygenases (LPMOs). Many questions concerning the identity of the active Cu/O2 species remain
unanswered, including: i) oxidation state of Cu (CuI vs. CuII vs. CuIII); ii) reduction/protonation state of O2
(O2−,(H)O22−, (H)O2−) and the pKa and redox potentials associated with these Cu/O2 species; iii) mechanism
by which the Cu/O2 intermediates carry out C-H hydroxylations (e.g. O-O cleavage mechanism before or after
C-H oxidation?; generation of high-valent Cu-oxyl species before substrate hydroxylation?). In this research
proposal, we tackle this problem using two different approaches:
1) We utilize ligand scaffolds (L) that contain C-H substrates covalently attached to their structure (substrate-
ligands) that permit us to generate and characterize LCu/O2 species and evaluate their reactivity towards
intramolecular C-H hydroxylation. Substrate-ligand modifications will permit us to: i) evaluate the ability of the
Cu/O2 species to oxidize sp3 C-H bonds and sp2 C-H bonds; ii) control the stereo-electronic properties of the
Cu complexes by the use of different ligand donors (i.e. N2, N3, N4) that will lead to the generation of
mononuclear and dinuclear LCu/O2 species, and analyze their reactivity towards intramolecular C-H
hydroxylation including characterization of reaction intermediates, kinetics and computations; iii) utilize this
approach (Cu-directed hydroxylations) to develop synthetic protocols to promote challenging organic
transformations such as enantioselective C-H hydroxylations and one-pot synthesis of 1,3-oxazines.
2) We synthesize mononuclear Cu complexes bearing redox-active ligands with tunable H-bonds that stabilize
Cu-hydroxo and Cu-oxyl cores. These unusual Cu complexes are able to reach multiple oxidation states via
oxidation of the metal and/or ligand scaffold. These high-valent CuO(H) cores will be characterized by various
spectroscopic methods and their ability to perform biorelevant intermolecular 2e− C-H hydroxylations will be
examined systematically using the Bordwell equation (i.e. species with higher redox potential and higher pKa
should be capable of oxidizing stronger C-H bonds), kinetic experiments and analysis of the reactions products
derived from hydroxylation (e.g. organic product(s) and oxidation/protonation state of the final Cu complexes).
Overall, these studies will contribute to a broader understanding of the biochemical role of Cu ions involved in
O2 reduction and biologically relevant oxidations.
项目摘要:
在该研究项目中,我们开发了合成无机铜复合物来了解基本
结构和功能的方面Cu依赖性单加氧酶酶。这些金属酶含有
1或2个铜离子在其活性中心,将O2的还原与底物的氧化相结合
瞬态CUN/O2物种的形成。我们对研究单核的反应性特别感兴趣
Cu/O2中间体由于已被提出为强氧化物中的活性氧化物
酶的键,例如特定的甲烷单加氧酶(PMMOS)和裂解多糖
单加氧酶(LPMO)。有关活性Cu/O2物种的身份的许多问题仍然存在
未得到答复,包括:i)Cu的氧化状态(Cui vs. Cuii vs. Cuiii); ii)O2的还原/质子化状态
(O2-,(H)O22-,(H)O2-)以及与这些Cu/O2物种相关的PKA和氧化还原电位; iii)机制
CU/O2中间体进行C-H羟基化(例如O-O裂解机构之前或之后
C-H氧化?底物羟基化之前产生高价值的Cu-氧基?)。在这项研究中
提案,我们使用两种不同的方法解决了这个问题:
1)我们利用配体支架(L),其中包含与其结构共同附着的C-H底物(底物 -
配体),使我们能够生成和表征LCU/O2物种并评估它们对
分子内C-H羟基化。底物配体修改将使我们能够:i)评估
Cu/o2物种与氧化物SP3 C-H键和SP2 C-H键; ii)控制该立体电子特性
CU复合物通过使用不同的配体供体(即N2,N3,N4),这将导致产生
单核和双核LCU/O2种,并分析其对分子内C-H的反应性
羟基化包括反应中间体,动力学和计算的表征; iii)利用这一点
方法(CU指导的羟基化)以开发合成方案以促进有机挑战
诸如对映选择性的C-H羟基化和1,3-恶阵的一锅合成之类的转换。
2)我们合成具有可调h键的氧化还原活性配体的单核Cu复合物
Cu-Hydroxo和Cu-oxyl核。这些不寻常的Cu复合物能够通过
金属和/或配体支架的氧化。这些高价值CuO(H)核将以各种特征
光谱法及其执行生物含量分子间2E-C-H羟基的能力将是
使用Bordwell方程进行系统检查(即具有较高氧化还原电位和较高PKA的物种
应该能够氧化强C-H键),动力学实验和反应产物的分析
源自羟基化(例如有机产物(S)和最终Cu络合物的氧化/质子化状态)。
总体而言,这些研究将有助于更广泛地了解参与参与的Cu离子的生化作用
O2还原和生物学相关的氧化。
项目成果
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