Ligand and structure design of bio-inspired multi-electron redox catalysts

La coppia redox acqua-ossigeno, H2O/O2, alimenta la nostra vita aerobica attraverso i processi fondamentali della fotosintesi naturale e della respirazione cellulare. Nonostante il suo ruolo fondamentale, qualsiasi errore in questo meccanismo a quattro elettroni rilascia radicali O2-derivati tossici, inducendo gravi danni ossidativi ai materiali sintetici e biologici esposti. La formazione aerobica di ROS è dovuta alla riduzione dell'ossigeno in vivo, generando l'anione superossido (O2•-), perossido di idrogeno (H2O2) ed il radicale idrossile (HO•). I ROS danno origine ad una veloce ossidazione, senza barriere, a corto raggio e non selettiva, responsabile dello "stress ossidativo", un fattore chiave per la morte cellulare, insufficienza di organi e le malattie dell'invecchiamento. Inoltre lo stress foto-ossidativo è un fattore chiave che limita la produttività di piante, bio-masse e rese alimentari. Meccanismi ROS indotti sono anche letali per la stabilità dei materiali bio-ispirati progettati per fotosintesi artificiale in vitro. La difesa biologica contro i danni cellulari ROS indotti deriva dall'azione combinata di metallo-enzimi "anti-ossidanti", come la superossido dismutasi (SOD) e la catalasi (CAT). Il processo di disintossicazione avviene tramite la dismutazione SOD indotta di O2•- in O2 e H2O2 che viene poi convertita nuovamente da CAT in H2O e O2. In questa tesi verrà presentata la progettazione di una serie di nuovi catalizzatori antiossidanti, basati su differenti centri metallici, che possono derivare dalla progettazione di sinzimi con integrata attività SOD/CAT in grado di imitare entrambi gli enzimi ed eseguire efficientemente una completa rimozione di ROS in condizioni simili a quelle biologiche. L'attività dei sinzimi sarà testata inoltre nei processi di scissione dell'acqua per effettuare sia il processo di ossidazione dell'acqua che la riduzione di protoni in acqua a pH neutro, una caratteristica fondamentale per l’ottenimento fonti energetiche sostenibili dalla acqua. I risultati ottenuti saranno divisi in quattro capitoli principali: -Capitolo 2: l’unione di una porfirina policationica di Mn(III), con un sistema dinucleare Mn2(II,II)L2 risulta in un duplice analogo funzionale di superossido dismutasi (SOD) e catalasi (CAT), Mn2L2Pn+, consentendo una disintossicazione a cascata dell'anione superossido e del perossido di idrogeno in H2O e O2. I complessi SOD/CAT artificiali, uniti in un’unica struttura, mostrano un picco delle performance catalitiche in condizioni fisiologiche, con logkcat(O2•-) ≥ 7 e kcat(H2O2)/KM = 1890. Il concetto di doppio-enzima (di-zima) consente una autoprotezione unica, contro la degradazione irreversibile dell'unità porfirinica, (> protezione 75%), indotta rapidamente da H2O2 (200 μM, 20 equivalenti, in soluzione tampone, pH=7.8). Qui viene dimostrato che l'incubazione delle alghe verdi fotosintetiche, Chlamydomonas reinhardtii, con il di-zima sintetico (a concentrazioni fino a 0,1 μM), previene l'accumulo di H2O2 in condizioni di elevata illuminazione, fornendo così un efficiente azione anti-ossidante e foto-protettiva. -Capitolo 3: sono stati sintetizzati e studiati dei catalizzatori binucleari Cu(II)2L2 per la loro attività SOD/CAT. L'obiettivo di questo studio è stato quello di dimostrare che con una serie di leganti adeguati, è possibile regolare la reattività di un metallo dannoso come il rame, trasformandolo in un sistema anti-ossidante. I complessi binucleari di rame mostrano un’attività SOD con logkcat fino a 7,55 e un'attività CAT con velocità di produzione di O2 fino a 4,4 μM/s. Studi cinetici del processo di dismutazione dell’acqua ossigenata mostrano una evoluzione del catalizzatore durante il turnover catalitico. Nessuna evidenza dell’ossidazione di substrati esterni è stata osservata grazie alla presenza di una funzionalità interna sacrificale. - Capitolo 4: sono stati isolati dei nuovi complessi Fe(III)L, Fe(III)2L2 e Co2(II)L2. I risultati preliminari indicano che le specie sono in grado di sostenere processi multi-elettronici, ma con scarsa attività nell’eliminazione di ROS. Questi complessi mostrano invece un'attività interessante nel processo di ossidazione dell'acqua. Inoltre le onde anodiche osservate in riduzione sono promettenti nel processo di riduzione catalitica dei protoni eseguito utilizzando direttamente acqua come fonte di protoni. - Capitolo 5: è stata esplorata l’applicazione nel campo dei materiali funzionali di catalizzatori che sviluppano ossigeno all'interno di membrane porose. Questa nuova strategia stimolo-risposta contro l'incrostazione irreversibile di materiali porosi e superfici si basa sulla progettazione molecolare di pori con pareti catalitiche che esibiscono proprietà autopulenti chemo-meccaniche a pH neutro e in condizioni blande di temperatura e pressione. A questo scopo, l’attività di catalasi di un poliossometallato tetra-rutenio sostituito, è stata sfruttata per lo sviluppo di ossigeno dai pori in modo da indurre una miscelazione attiva del fluido e la rimozione delle particelle sporcanti. Il presente studio prevede la realizzazione di film polimerici ibridi con un’architettura porosa contenenti il catalizzatore di tetra-rutenio come catalasi artificiale per garantire al materiale un meccanismo di auto-difesa contro l’occlusione dei pori e i danni ossidativi, impiegando una soluzione acquosa di H2O2 come stimolo chimico.