7.10: Enzimas Redox Multisitio (Parte 6)

N ₂ y Complejos Relacionados

El triple enlace de N ₂ tiene uno\(\sigma\) y dos\(\pi\) componentes. Cada átomo de nitrógeno tiene un par solitario orientado a lo largo de la dirección N-N. Los dos pares solitarios permiten que _N2 se una de manera final en un modo terminal o en un modo de puente. Ambos modos de unión se ilustran en el complejo de circonio binuclear ³³³ mostrado en la Figura 7.34. En este y en muchos otros complejos de N ₂, el enlace N-N no se alarga significativamente y, por lo tanto, se presume que se debilita de manera insignificante en el complejo. Curiosamente, el complejo de la Figura 7.34, a pesar de no tener largas distancias N-N, forma hidrazina cuantitativamente tras la protonación. Solo se reduce una de las tres moléculas de N ₂, y los cuatro electrones requeridos provienen de los dos Zr (III) por presunta transferencia interna de electrones. El relacionado\(\mu])-N₂ complex [W(\(\eta^{5}\) -C ₅ Me ₅) Me ₂ (SC ₆ H ₂ Me ₃)] ₂ (\(\mu\)-N ₂) es uno de los pocos complejos de dinitrógeno que contiene un ligando donante S. ^333a

Figura 7.34 - La estructura cristalina de rayos X ³³³ de (Cp') ₂ Zr (N ₂) (\(\mu_{2}\)-N ₂) Zr (N ₂) (Cp') ₂.

Además de los N pares solitarios, los\(\pi\) componentes del triple enlace\(\equiv\) N N pueden servir como orbitales donante-aceptor en la manera Dewar-Chatt-Ducanson (unión a olefina). Este modo menos común de unión a _N2 se ilustra por la estructura del complejo de Ti ³³⁴ que se muestra en la Figura 7.35. Aquí, como en los pocos otros complejos conocidos de N ₂ unidos de lado a lado, ³³⁵ el enlace N-N se alarga significativamente. Se presume que el enlace alargado a 1.30 Å está suficientemente debilitado [v (N-N) = 1280 cm ^-1] que es susceptible de un mayor alargamiento y reducción. A medida que la distancia N-N se alarga, es más apropiado considerar al ligando como una diimida o hidrazina desprotonada.

Figura 7.35 - La estructura de un compuesto de titanio dinitrógeno de unión múltiple. ³³⁴

_{Los complejos que han demostrado ser particularmente útiles son las fosfinas bis (dinitrógeno) de Mo (0) y W (0) como M (N 2) 2 (Ph 2 PCH 2 CH 2 PPh 2) 2 y M (N 2) 2 (PPh 2 Me) 4.} Como se muestra en la Figura 7.36, el tratamiento de los complejos ^336-337a con ácido conduce a la formación de los complejos diazenido (-H) e hidrazido (-2H), y en ocasiones a la producción de amoníaco. El hallazgo de una especie unida N ₂ H ^2- es consistente con la presencia propuesta de especies unidas similares en la nitrogenasa. Los complejos de productos intermedios de dinitrógeno reducido se estabilizan mediante la unión múltiple de M-N. La protonación adicional de estos intermedios o el tratamiento del complejo original con ácido fuerte conduce a la formación de NH ₃ a partir del nitrógeno unido. Aquí el complejo inicial de Mo (0) tiene suficientes electrones [seis de la conversión de Mo (0) → Mo (VI)] para reducir una molécula de N ₂ en conjunción con su protonación de la solución externa.

Figura 7.36 - Estructura y reacciones de M (N ₂) ₂ (Ph ₂ PCH ₂ CH ₂ PPh ₂) ₂ (M = Mo, W) y complejos relacionados. No todos los intermedios en este esquema han sido aislados en ningún sistema en particular. ^336,337,337a No se muestran los ligandos de fosfina.

En un sentido general esta reacción puede estar diciéndonos algo sobre la nitrogenasa. La enzima puede ser capaz de entregar seis equivalentes reductores a N ₂, y la protonación, quizás cuidadosamente orquestada por grupos vecinos de aminoácidos u homocitrato, puede facilitar el proceso. Sin embargo, es prácticamente seguro que el Mo en la nitrogenasa no es capaz de cambiar su estado de oxidación en seis unidades. En la enzima, el sitio FemoCO multimetal y multiazufre puede servir a la función equivalente, proporcionando múltiples sitios en los que los intermedios reducidos pueden unirse simultáneamente.

Solo algunos de los complejos N ₂ conocidos contienen ligandos donadores S. Uno de estos, Mo (N ₂) ₂ (S (CH ₂ C (CH ₃) ₂ CH ₂ S) ₃), mostrado en la Figura 7.37, tiene cuatro átomos donantes de tioéter S unidos a Mo (0). Este complejo de Mo (0) muestra reactividad que recuerda a los complejos de fosfina relacionados. ^{337a Se ha aislado un} complejo notable (Figura 7.38) ³³⁸ en el que dos pares solitarios de trans-diimida se unen a dos Fe, concomitantemente con la unión H de los dos átomos de hidrógeno de diimida a átomos de azufre coordinados. La capacidad de un sistema Fe-S para estabilizar el grupo trans-N _{2 H 2} muy reactivo agrega soporte a la noción de que sitios similares de sulfuro de metal de la nitrogenasa pueden estabilizar intermedios relacionados a lo largo de la ruta de reacción N ₂ → 2NH ₃.

Figura 7.37 - La estructura de Mo (N ₂) ₂ L (L es un tetratiaciclohexadecano) ^{337b, c}

Figura 738 - La estructura ³³⁸ de FeL (N ₂ H ₂) FeL (L = SC ₆ H ₄ SCH ₂ CH ₂ SCHCH ₂ SC ₆ H ₄ S).

La mayoría de los sistemas modelo que involucran N ₂ no conducen a la formación de NH ₃. Además, muchos sistemas que sí forman NH ₃ no son catalíticos. Sin embargo, ciertos sistemas basados en V y MO pueden reducir catalíticamente N ₂ a N ₂ H ₄ o NH ₃ usando agentes reductores fuertes. ³³⁹ Aunque los estudios cinéticos indican la posibilidad de intermediarios, en la actualidad se dispone de poca información estructural sobre estos interesantes sistemas.

Perspectivas de la reactividad inorgánica relevante

Sin embargo, ciertos estudios sobre sistemas inorgánicos que no modelan el proceso de fijación de nitrógeno pueden dar una idea de la acción de la nitrogenasa. Dos categorías de química relevante son la unión/reactividad de acetileno y la unión/activación de dihidrógeno. Los modos de activación de dihidrógeno en sistemas de sulfuro han sido discutidos previamente en la sección sobre hidrogenasa.

Desde hace tiempo se sabe que el acetileno se une a centros metálicos utilizando sus orbitales\(\pi\) y\(\pi\) * como, respectivamente,\(\sigma\) -donante y\(\pi)-acceptor orbitals. Even when the metal is predominantly sulfur-coordinated,^340,341 such side-on bonding of RC₂R is well known^340,341 as in MoO(S₂CNR₂)₂(RC\(\equiv\) CR) y Mo (S ₂ CNR ₂) ₂ (RC\(\equiv\) CR) ₂. La interacción directa del acetileno con el centro metálico debe considerarse como un modo de unión potencial para sustratos de nitrogenasa.

Ahora también está bien establecido un modo totalmente diferente de unión a acetileno basado en azufre. Por ejemplo, (Cp') ₂ Mo ₂ S ₄ reacciona con acetileno ^342,225 para producir

\(\tag{7.18}\)

que contiene un puente de etileno-1,2-ditiolato (ditioleno). El acetileno se une directamente a los átomos de azufre formando enlaces S-C. Los acetilenos o acetilenos sustituidos (activados) son capaces de desplazar etileno de ligandos puente o 1,2-ditiolato terminales ^225,341 para producir los 1,2-ditiolenos. En estas reacciones, el azufre en lugar de los sitios metálicos del cúmulo son reactivos hacia estas pequeñas moléculas insaturadas. Claramente, para la nitrogenasa, donde desconocemos el modo de unión, la coordinación de azufre podría ser una posibilidad viable. Los sistemas (Cp') _{2 Mo 2} S ₄ que unen H ₂ y C ₂ H ₂, en los que el enlace C _{2 H 2} puede reducirse a C ₂ H ₄ y desplazarse en C ₂ H ₂, son modelos potenciales para reducción de sustrato por nitrogenasa. ^225,342

_{La versatilidad de los sistemas de azufre de metal de transición se ilustra adicionalmente mediante la observación de que el acetileno activado puede insertarse en un enlace metal-azufre en Mo 2 O 2 S 2 (S2) ^2-, formando un ligando quelante de disulfuro de vinilo}

\(\tag{7.19}\)

La Figura 7.39 muestra tres posibles modos de unión C _{2H 2}, cada uno de los cuales es posible para el sistema de nitrogenasa.

Figura 7.39 - Posibles modos de unión de acetileno a sitios de metal-azufre.

Recientemente se ha sugerido ³⁴³ que se requiere la presencia de un complejo de dihidrógeno para que H ₂ sea desplazado por N ₂ para formar un complejo de dinitrógeno. Esta reacción explicaría la estequiometría requerida de reducción de N ₂ y evolución de H ₂. _{Tal explicación había sido sugerida previamente con complejos de dihidruro que actuaban como el sitio de unión a N 2 y desplazamiento de N 2.} ¹⁸² Claramente, esta nueva sugerencia es un interesante embellecimiento de las posibles relaciones N 2/H ₂.

En la actualidad, se desconoce el proceso de activación que está en funcionamiento en la enzima. Necesitamos una mayor definición estructural del sitio activo, que debería ser próxima a través de la aplicación continua de sofisticadas sondas de difracción y espectroscópicas. Sin embargo, la difracción sola será incapaz de localizar protones y posiblemente otros ligandos de bajo peso molecular. Por lo tanto, las sondas espectroscópicas como ENDOR ¹⁰ y ESEEM, ^277-Z79,344 que se basan en espectroscopía EPR, y técnicas basadas en rayos X, como EXAFS y XANES, seguirán siendo cruciales para dilucidar detalles estructurales de importancia mecánica.