Σύμπλοκα σιδήρου, νιοβίου και βολφραμίου με διυδροξυπαράγωγα βενζολίου και πυριδίνης: μελέτη οξειδωτικής διάσπασης αρωματικών παραγώγων in vitro και in vivo

Abstract

The coordination of reduced species of oxygen to niobium and tungsten and the synthesis of peroxo complexes provide an insight on the redox reactions such as the oxidation of halides and inorganic and organic substrates or aromatic derivatives. Furthermore, the iron enzymes catalyze a variety of oxygen atom redox reactions. Determination of the structure of synthetic analogues gives information on the catalytic mechanism of the enzyme. The present thesis concerns the synthesis, characterization and study on the redox properties of niobium, tungsten and iron complexes with chelating agents that are of biological interest. The dihydroxy benzene and pyridine derivatives (2,3-DHBA, 3,4-DHBA, 2,5-DHBA, 2,3-DHP and quinoline-2-carboxylic acid) are multidentate ligands, important metabolites and antioxidants. Studying the activity of niobium complexes towards the activation of Ο2 included the reaction of NbCl5 in methanol media with the halides. The oxidation of PPH4Br in the presence of oxygen and light catalyzed by NbCl5 led to the crystal tribromide. The reaction of the excited catalyst with bromide ion occurs through the formation of the peroxoniobate intermediate. The role of niobium pentachloride in the cyclisation of acetone is also discussed. The triacetone triperoxide was characterized using X-ray diffraction spectroscopy. In order to compare the antioxidant activity of the ligands, ascorbic acid has been used as a reference antioxidant. Mixing methanol solutions of NbCl5 and AscA in the presence of oxygen and base gives upon their reaction the first peroxo complex of the metal with ascorbic acid isolated without adding hydrogen peroxide solution. The title compound shows an increased antiproliferative effect on HL60 human leukemia cells, compared to ascorbic acid alone, as well as an inhibitory effect on necrosis caused by ascorbic acid. The homoleptic peroxo complexes of Nb(V) and W(VI) have been prepared according the procedure based on the addition of excess of hydrogen peroxide in the aqueous solution of the precursors Nb(V) and W(VI). The heteroleptic peroxo complexes of Nb(V) and W(VI) with quinaldic acid of the formula (gu)2[Nb(O2)3(quin-2-c)] and (gu)[WO(O2)2(quin-2-c)] were determined by X-ray diffraction. All complexes were characterized by elemental and thermogravimetric analysis (TGA and DTA) and various spectroscopic techniques such as UV-Vis, IR, Raman and NMR. The ground electronic structure of the (gu)2[Nb(O2)3(quin- 2-c)] complex has been calculated with the density functional theory (DFT) method, and TD-DFT calculations have been employed to interpret the UV-Vis transitions. The in vitro insulin mimetic effect of the peroxo complexes has been evaluated by the inhibitory effect on free fatty acid release in isolated fat adipocytes treated with epinephrine. Among the iron complexes, we were concerned about the characterization and the redox properties of those with the ligands 2,3-DHBA and 3,4-DHBA. For this purpose gallium complexes homologues have been also synthesized. Their redox properties were studied through cyclic voltammetry. The results show that the semiquinonate-type of the ligand 2,3-dihydroxybenzoic acid (2,3-DHBA) is stabilized upon the coordination. The oxidative degradation of the aromatic ring of DHBAs in the presence of Nb(V) and W(VI) peroxo complexes and the analysis of the products, using NMR spectroscopy, suggest that oxygen activation occurs. The oxidative cleavage can take place either via semiquinone or directly via coordinated catechol.

Η σύμπλεξη των ανηγμένων μορφών του οξυγόνου με τα σπάνια στοιχεία μετάπτωσης νιόβιο και βολφράμιο, καθώς και η σύνθεση και ο χαρακτηρισμός υπεροξο-συμπλόκων βοηθούν στη διερεύνηση οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων, όπως η στοιχειομετρική ή καταλυτική οξείδωση αλογονοϊόντων και άλλων ανόργανων και οργανικών υποστρωμάτων ή αρωματικών παραγώγων. Από την άλλη πλευρά, τα ένζυμα του σιδήρου καταλύουν τις αντιδράσεις μεταφοράς ατόμου οξυγόνου και αναγωγής του μοριακού οξυγόνου, οπότε ο προσδιορισμός της δομής των συνθετικών αναλόγων μπορεί να οδηγήσει σε χρήσιμα συμπεράσματα για το μηχανισμό της δράσης των οξειδοαναγωγικών αυτών ενζύμων. Η παρούσα διατριβή περιλαμβάνει τη σύνθεση, το χαρακτηρισμό και τη μελέτη των καταλυτικών- οξειδοαναγωγικών ιδιοτήτων μιας σειράς συμπλόκων ενώσεων των στοιχείων μεταπτώσεως νιοβίου, βολφραμίου και σιδήρου με χηλικούς υποκαταστάτες βιολογικής σημασίας. Τα διυδροξυ-παράγωγα βενζολίου και πυριδίνης (2,3-DHBA, 3,4-DHBA, 2,5-DHBA, 2,3-DHP και 2-καρβοξυ-κινολίνη) που χρησιμοποιήθηκαν ως υποκαταστάτες, είναι σημαντικοί μεταβολίτες, εμπλέκονται σε βιολογικούς καταλυτικούς κύκλους και έχουν αντιοξειδωτικές ιδιότητες. Στα πλαίσια της μελέτης της δραστικότητας των συμπλόκων ενώσεων του Nb(V) στην ενεργοποίηση του Ο2 πραγματοποιήθηκε η αντίδραση του NbCl5 σε μεθανολικό διάλυμα με αλογονοϊόντα και συγκεκριμένα με τα βρωμιούχα και ιωδιούχα άλατα KBr, KI, PPH4Br και PPH4I σε διαφορες στοιχειομετρικές αναλογίες. Η παραλαβή κρυσταλικού προϊόντος από την αντίδραση του NbCl5 με PPH4Br σε μεθανολικό διάλυμα παρουσία Ο2 και φωτός και η ανάλυσή του με ακτίνες Χ οδήγησε στη διερεύνηση του μηχανισμού της οξείδωσης των ιόντων Br- μέσω του σχηματισμού περόξο-συμπλόκου του νιοβίου. Επισημαίνεται επίσης ο ρόλος του NbCl5 στην αντίδραση κυκλοποίησης της ακετόνης, η οποία οδηγεί στην παραλαβή κρυσταλλικού τριϋπεροξειδίου της τριακετόνης με μεγάλη απόδοση. Σε μια προσπάθεια σύγκρισης της αντιοξειδωτικής δράσης των υποκαταστατών χρησιμοποιήθηκε ως αντιοξειδωτικό αναφοράς το ασκορβικό οξύ. Από την αντίδραση του NbCl5 και του ασκορβικού οξέος σε διάλυμα μεθανόλης παρουσία οξυγόνου και βάσης προκύπτουν ϋπεροξο-σύμπλοκα του Nb(V) με το ασκορβικό, χωρίς την προσθήκη υπεροξειδίου του υδρογόνου. Έγινε σύγκριση της κυτταροστατικής, αντιπολλαπλασιαστικής και δράσης στο φαινόμενο της νέκρωσης, του συμπλόκου με αυτήν του ασκορβικού, όπου και έδειξε το υπεροξο-σύμπλοκο να δρα πιο αποτελεσματικά. Ακολουθώντας τη μέθοδο σύνθεσης των υπεροξο-συμπλόκων Nb(V) και W(VI), η οποία βασίζεται στην προσθήκη διαλύματος υπεροξειδίου του υδρογόνου σε υδατικό διάλυμα πρόδρομης ένωσης του Nb(V) και W(VI), απομονώθηκαν και χαρακτηρίστηκαν ομολεπτκά υπεροξο-σύμπλοκα Nb(V) και W(VI). Από την αντίδραση αυτών με τον υποκαταστάτη 2-καρβοξυ-κινολίνη παρασκευάστηκαν νέα υπεροξο-σύμπλοκα. Τα απομονωθέντα στερεά σύμπλοκα χαρακτηρίστηκαν με φασματοσκοπία IR, Raman, TGA, FAB-MS, ES-MS, 1H και 13C NMR και διερευνήθηκε η σταθερότητα, η δραστικότητα τους και η καταλυτική τους δράση σε αντιδράσεις οξειδοαναγωγής. Επίσης μελετήθηκε η δομή των συμπλόκων (gu)2[Nb(O2)3(quin-2-c)] και (gu)[WO(O2)2(quin-2-c)] μέσω κρυσταλλογραφίας ακτίνων Χ. Πραγματοποιήθηκαν θεωρητικοί υπολογισμοί DFT που έδωσαν σημαντικές πληροφορίες για τις ενέργειες και το χαρακτήρα των HOMO και LUMO τροχιακών του συμπλόκου (gu)2[Nb(O2)3(quin-2-c)]. Η in vitro ινσουλινομιμητική δράση των υπεροξο-συμπλόκων προσδιορίζεται από την αντίσταση στην απελευθέρωση των ελευθέρων λιπαρών οξέων από τα λιιποκύτταρα με τη δράση της επινεφρίνης. Από τα σύμπλοκα του σιδήρου που απομονώθηκαν εμβαθύναμε στο χαρακτηρισμό και στις οξειδοαναγωγικές ιδιότητες αυτών με τους υποκαταστάτες 2,3-DHBA, και 3,4-DHBA. Η τεχνική της κυκλικής βολταμετρίας και η παρασκευή ανάλογων διαμαγνητικών συμπλόκων του γαλλίου (Ga) βοήθησαν αποτελεσματικά στο χαρακτηρισμό και τη μελέτη τους. Τα αποτελέσματα δείχνουν για τον υποκαταστάτη 2,3-DHBA ότι ευνοείται η μετατροπή σε σεμικινόνη (SQ) και η σταθεροποίησή του με συμπλοκοποίηση. Για τα παραπάνω σύμπλοκα μελετήθηκε η βιολογική τους δράση και η επίδρασή τους σε διάφορες καρκινικές σειρές. Η παρακολούθηση της οξειδωτικής διάσπασης του αρωματικού δακτυλίου παρουσία των υπεροξο- συμπλόκων Fe(III), Nb(V) και W(VI) και η ανάλυση των προϊόντων με φασματοσκοπία NMR δίνει πληροφορίες για το μηχανισμό ενεργοποίησης του οξυγόνου in vitro και in vivo.