Demir ve oksijen, insan vücudundaki birçok önemli süreçte etkileşime girer. Bunun en bilinen örneği, kandaki oksijenin taşınmasını sağlayan hemoglobin proteinidir. Hemoglobin, iki oksijen atomunun bir araya gelmesiyle oluşan dioksijeni bağlar.
Demir ayrıca demir okso olarak bilinen yüksek reaktif bileşikler de oluşturur. Bu bileşikler, karaciğer enzimlerinin ilaçları parçalaması gibi diğer biyolojik işlevlerde de rol oynar.
Demir Ötesinde Oksijen Kimyası
Rice Üniversitesi kimyageri Raúl Hernández Sánchez, oksijenin periyodik tablonun alt kısmında bulunan farklı bir metal grubuyla benzer bileşikler oluşturup oluşturamayacağını araştırmak istedi. Bu metaller f-blok metalleri olarak biliniyor. Lantanitler üst sırada yer alırken, aktinitler altlarında bulunuyor.
Hernández Sánchez, lantanitlerin oksijeni doğru şekilde bağlaması halinde yüksek reaktif lantanit okso bileşikleri üretebileceğini öne sürdü. Bu tür moleküller, demir oksolara sentetik alternatifler oluşturabilir ve küçük molekül kimyagerlerine biyolojiyle ilgili reaksiyonları incelemek için yeni araçlar sunabilir.
Ancak önemli bir engel vardı. Özellikle lantanitler olmak üzere f-blok metallerinin, proteinler de dahil olmak üzere birçok biyolojik materyalde önemli olan pi etkileşimleri yoluyla oksijen gibi küçük moleküllerle etkileşime giremeyeceği düşünülüyordu.
Journal of the American Chemical Society dergisinde yayımlanan bir çalışmada Hernández Sánchez ve ekibi, dioksijenin bir lantanit metali olan neodimyum ile pi etkileşimleri oluşturmasını sağlayan bir yöntem bildirdi. Bu süreç, lantanit okso bileşiklerinin oluşturulmasını mümkün kıldı.
Neodimyum İçin Moleküler Sepet
Kimya yardımcı doçenti Hernández Sánchez, "Birkaç yıl önce geliştirdiğimiz bir ligand platformumuz vardı. Bunu, metalleri yakalamamıza ve belirli bağlanma türlerini teşvik edecek şekilde konumlandırmamıza olanak tanıyan bir sepet olarak düşünebilirsiniz" dedi.
Her bir moleküler sepet, tek bir f-blok metal atomunu tutacak kadar büyüktü. Araştırmacılar bu sepetlerden ikisini karşılıklı olarak yerleştirdi. Aralarına, iki neodimyum atomunu birbirine bağlayan bir dioksijen molekülü de dahil olmak üzere altı atom yerleştirdiler.
Bu düzenleme, bilim insanlarına metallerin konumlarını ince ayar yapma imkanı veren bir oktakoordinat ligand ortamı oluşturdu.
Makalenin ilk yazarı ve doktora sonrası araştırmacı Hong-Lei Xu, "Lantaniti ligand sepetimize yerleştirdikten sonra, küçük molekül substratlarına karşı reaktivitesini keşfetmeye başladık ve sonunda dioksijeni benzeri görülmemiş bir şekilde bulmak için doğru koşulları elde ettik" dedi.
Yeni Bir Oksijen Bağlanma Türünün Kilidi Açılıyor
Doğru koşullar altında neodimyum ve dioksijen, daha önce olası görülmeyen pi etkileşimleri oluşturdu. Reaksiyon bir lantanit okso molekülü üretti.
Araştırmacılar artık bu yüksek reaktif bileşiklerin sentetik kimyada demir oksoların yerini alıp alamayacağını araştırabilir. Ayrıca lantanit oksoların demir bazlı bileşiklerin sunmadığı yetenekler sunup sunmadığını da test edebilirler.
Çalışma sadece neodimyuma odaklanmış olsa da Hernández Sánchez ve ekibi, aynı ligand yapısının çoğu lantanit ve muhtemelen aktinitlerle de benzer reaksiyonları destekleyebileceğine inanıyor.
Hernández Sánchez, "Dioksijeni f-blok metallerine bağlama ve iki oksijen atomu arasındaki bağı kırma yeteneği, yüksek reaktif lantanit oksoları ortaya çıkarmamıza ve yüksek katma değerli kimyasallar oluşturmamıza olanak tanıyabilir. Lantanit kimyasında yeni bir sayfa açabiliriz" dedi.
Araştırma, Rice Üniversitesi'nden başlangıç fonu, Robert A. Welch Vakfı ve Welch Vakfı Hibesi (C-2142-20230405) ile desteklendi.