Марсетта И. Даренсбург

Марчетта Йорк Даренсбург — американский химик-неорганик. Она — заслуженный профессор химии Техасского университета A&M . Ее текущая работа сосредоточена на гидрогеназах железа и комплексах нитрозила железа .

Марсетта Бернис (Йорк) Даренсбург родилась 4 мая 1942 года в Артемусе, штат Кентукки . Она дочь школьных учителей Атласа Х. Йорка и Элси Уолтон Йорк. У нее есть старшая сестра по имени Мэри Люсиль Йорк и младший брат по имени Ларри Геркулес Йорк. Даренсбург посещала местную среднюю школу под названием Knox Central High School в Барбурвилле, штат Кентукки . В старшей школе она была прилежной ученицей и была членом оркестра, хора и команды поддержки. Именно там Даренсбург встретила свою ролевую модель, миссис Болтон. Миссис Болтон преподавала биологию, физику и химию, что заинтересовало Даренсбург. Одной из причин, по которой Даренсбург хотела заняться наукой и преподаванием, было большое влияние, которое миссис Болтон оказала на нее. ^[1]

Дэренсбург получила степень бакалавра наук по химии в Юнион-колледже в 1963 году и степень доктора философии по неорганической химии в Иллинойсском университете под руководством Теодора Л. Брауна в 1967 году. ^[1] Ее докторская работа была сосредоточена на кинетике литийорганических реакций. ^[2]

Даренсбург была доцентом в колледже Вассар с 1967 по 1969 год. С 1971 по 1982 год она преподавала в Университете Тулейна , получив звание профессора. В 1982 году Марсетта Даренсбург была назначена профессором в Техасском университете A&M вместе с Дональдом Дж. Даренсбургом . Впоследствии в 2010 году ей было присвоено звание заслуженного профессора. ^[3] Ее исследовательские интересы включают биметаллические ферменты гидрогеназы, содержащие лиганды CO и CN.

Дэренсбург является членом совета журнала Inorganic Syntheses ^[4] , где она также была главным редактором 32-го тома . ^[5] В 2011 году она была избрана членом Американской академии искусств и наук . ^[6]

Переходные металлы в центре периодической таблицы, в первую очередь железо, кобальт, никель, доступны на Земле в различных минералах и в биологии как отдельные металлы, захваченные в эволюционно разработанных биомолекулярных сайтах связывания, как в белках. То, как они естественным образом удаляются из расширенных структур минералов, транспортируются, избирательно захватываются в эти сайты, и для какой цели(ей) они существуют в них, являются главными источниками вдохновения для исследовательской программы Марчетты Даренсбург. Фундаментальные химические характеристики таких молекул и механизмы их взаимообмена подпитывали ее интерес к химии в течение долгой и непрерывной исследовательской карьеры. За это время она выпустила более 287 публикаций, была наставником 54 аспирантов и около 15 студентов магистратуры. Около 20 постдокторантов внесли свой вклад в ее программу. В частности, минеральные отложения, состоящие из сульфида железа, рассматриваются как истоки металлоорганических катализаторов для метаболизма водорода и для образования связей углерод-углерод в восстановительной атмосфере, которая существовала на Земле до Великого события оксигенации. То, что существует эволюционно развитая молекулярная память, видно в структурах биокаталитических активных центров, зарытых в белковых складках ферментов гидрогеназ и ацетилкоАСинтазы. Центральные молекулярные конструкции этих ферментов имеют специфическую геометрию и спектроскопические сигналы, которые могут быть интерпретированы с помощью знаний, которые развивались в течение последних 40 лет.

Ранняя независимая работа Марчетты с молекулами, содержащими переходные металлы, окруженные двухатомными лигандами, такими как оксид углерода, оксид азота и цианид, в качестве стабилизирующих лигандов в определенных координационных сферах, составила фундаментальную работу, опубликованную в первых 60 публикациях из ее > 285 публикаций. Эта предыстория ее исследований, выполненных в основном в Университете Тулейна, стала основой для ее последующего признания их роли в новой отрасли химии, которую она назвала «Биоорганометаллической химией» — как подмножества бионеорганической химии. Переезд в Техасский университет A&M в 1982 году открыл дверь новым возможностям для более многочисленной группы аспирантов и десятков студентов-колледжей на протяжении последующих десятилетий. Следующее описание ее исследовательских вкладов за это время говорит о количестве крупных проектов, на которые она с благодарностью получила финансирование в основном от Национального научного фонда и Фонда RA Welch. Эти публикации описаны в пронумерованном списке с ее веб-сайта. В целом закономерности, обнаруженные в этих работах, приводят к необходимости понимания реакционной способности гидридов переходных металлов в промышленном катализе, а также их возможностей в качестве промежуточных соединений в сложных механизмах ферментов гидрогеназы в природе.  

Вовлеченность Марчетты в сообщество неорганической химии была ранее продемонстрирована на симпозиуме, который она и Андреа Вайда организовали для Американского химического общества в 1985 году. «Вспомните Чикаго» приобрело новое значение, когда неожиданно огромная аудитория переполнила конференц-зал химиками-неорганиками, которых интересовала тема «Экспериментальная металлоорганическая химия: Практикум по синтезу и характеристике». Самые передовые экспериментаторы представили, как они выполняли свою работу, а не только результаты. Этот симпозиум привел к появлению монографии с тем же названием и подтвердил роль Марчетты в синтетической неорганической химии.

Особые качества оксида углерода как лиганда для переходных металлов позволяют электронной плотности нарастать даже на небольших переходных металлах первого ряда (ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель), создавая формальные степени окисления вплоть до -4! Знаменитая π-обратная связь металла с лигандом CO стабилизирует эти отрицательные заряды. Марчетта отметила геометрическую стереоспецифичность ионного спаривания противокатионов с кислородом связанного с металлом лиганда CO. Из этого был подтвержден ориентационный эффект на реакции сочетания CC, развивающиеся от присоединения органических галогенидов к карбонильным анионам металлов (M-44). С этого периода очень короткий интеллектуальный шаг привел ее к карбонильным гидридам металлов; функциональность, критически важная для понимания механизмов гидрогеназ, включая требования к удалению H из гидрида металла (M-47).

Следующим этапом ее исследований водорода стало изучение богатой химии анионных гидридов карбонилов металлов, включая возможности их использования в качестве агентов переноса гидрида в гетеролитическом (H ^- /H ⁺ ) H _{2 восстановлении олефинов.}

           Сотрудники сыграли ключевые роли в исследовательском путешествии Марчетты. Наиболее примечательной за последние два десятилетия является роль Майка Холла, вычислительного химика par excellent , чье понимание структуры и связей обогатило множество публикаций его коллег, включая публикации Марчетты. Механистический дизайн переносов атомов водорода выиграл от опыта Мартина Ньюкомба и Дона Даренсбурга. В ее последние десятилетия ни один сотрудник не был более важным, чем научный персонал TAMU, особенно Джо Рейбенспайс, всемирно известный рентгеновский кристаллограф.

           В конце 1980-х, начале 1990-х годов группа Марчетты все больше и больше погружалась в синтез, связывающий тиоляты (sp?) в качестве лигандов с гидридами металлов и карбонилами металлов. С такими студентами, как Чарли Риордан и Вэнь-Фэн Лио, публикации все глубже и глубже погружались в кластеры, гидриды и тиоляты карбонилов металлов. Влияние коллеги Артура Мартелла и Пола Линдаля, а также настойчивость аспиранта Дэна Миллса были велики для ее перехода к новой фазе карьеры. Артур поощрял ее интерес к «классической» бионеорганической химии, и очевидные проблемы химической неразборчивости активного центра фермента ACS Пола (асимметричный, связанный серой Ni--M сайт) привели ее группу к удивительному тетрадентатному мотиву лиганда S - - N - - N - - S, который оборачивался вокруг металлов, как и трипептид цистеин-глицин-цистеин. Способность тетрадентатных лигандов N ₂ S ₂ связывать Ni, Fe, Co и их более тяжелые конгенеры разорила банк с точки зрения структур и публикаций. Эта плодотворная группа работ привлекла внимание, поскольку нуклеофильность цис-дитиолятных серных соединений была многообещающей для связывания экзогенных электрофилов, таких как кислород или металлы. Таким образом, была создана новая парадигма для синтеза S – мостиковых гетероби, -три, -тетра - -металликов в четко определенных структурах и привела к исчерпывающему обзору, опубликованному в 2015 году. Понимание Марчеттой конструкции активного центра ACS и его дальнейшей связи с железо-серным кластером стало подготовкой к ее полезности для Сообщества ученых-гидрогеназ.

В конце 1990-х годов в структурной бионеорганической химии появился настоящий переломный момент. Ученые из Лос-Аламоса увидели подозрительные спектральные особенности в инфракрасном спектре, которые можно было бы интерпретировать как двухатомные лиганды, CO и CN. Одновременно с этим кристаллографы во Франции увидели странные вытянутые электронные плотности, прикрепленные к железу. Мы, химики из Колледж-Стейшн, осознали связь между этими наблюдениями и возможностью того, что Природа разработала активный центр [NiFe]-H ₂ азы для использования лигандов оксида углерода и цианида, а не типичных жестких донорных оснований. Для синтетических неорганических химиков это означало, что модели малых молекул железа могут быть нацелены на сопоставление или проверку спектральных особенностей с активным центром фермента, как определено биофизическими химиками. Следует отметить, что для окислительно-восстановительных гидрогеназ и ацетилкоАсинтазы спектроскопическим методом выбора был менее распространенный электронный спиновый резонанс. Теперь, когда двухатомные лиганды были подтверждены, множество химиков-синтетиков, работающих в области неорганических/металлоорганических соединений, смогли выйти на эту область в качестве химиков-биомиметиков.

           Это был легкий шаг от гидрогеназы никеля-железа к гидрогеназе дижелеза. Марчетта и два уважаемых конкурента вошли в литературу с дитиолатным мостиком дижелеза гексакарбонил, который имел определенные свойства, соответствующие последнему ферменту, с едва ли какими-либо изменениями, и опубликовали в течение нескольких месяцев после определения его структуры. Это было захватывающее время, так как большое количество последователей истории [FeFe]-H ₂ азы было привлечено возможностью использования ее принципов для создания обильных металлических электрокатализаторов для восстановления протона до водорода.

В настоящее время Марчетта отошла от своего вдохновения гидрогеназой и занялась применением синтетических навыков для разработки молекул, которые делокализованы как по электронной плотности, так и по электронному спину. Ключевым компонентом последнего является другой двухатомный лиганд, оксид азота. Во время Covid ее группа разработала примеры реагентов для переноса NO, включая нитрозил железа. Оказывается, тот же сайт связывания N2S2 для железа, который наблюдается в другом активном сайте фермента, нитрилгидратазе, становится превосходным средством для связывания NO и переноса NO, что важно для физиологии человека. Группа установила принципы связывания и электронного спинового сопряжения на больших расстояниях.

Darensbourg исследовал некоторые кинетические аспекты литийорганических соединений. В ходе этих исследований была проанализирована кинетика определяющего скорость этапа диссоциации трет-бутиллития из тетрамера в димер. ^[7] Используя ядерный магнитный резонанс (ЯМР) 7Li, исследование очерчивает определяющий скорость этап равновесия смеси трет-бутиллития, показывая, что диссоциация из тетрамера в димер является ключевой. В частности, было обнаружено, что скорость диссоциации существенно зависит от используемого растворителя, а скорость диссоциации толуола была значительно выше, чем циклопентана. Результаты также подчеркивают роль стереоконфигурации в этих реакциях, где трет-бутиллитий демонстрирует уникально медленную скорость межмолекулярного обмена по сравнению с другими алкиллитиевыми соединениями из-за его большего размера. Было замечено, что присутствие даже небольшого количества оснований, таких как триэтиламин, значительно ускоряет скорость обмена. ^[7] С помощью масс-спектроскопии также можно было наблюдать существование перекрестной ассоциации с другими видами литийорганических соединений в паровой фазе. ^[7]

Интерес Даренсбург к молекулам распределения заряда, которые можно было бы исследовать с помощью реактивности, привел к ее работе по картированию нуклеофильной атаки на карбонилы металлов . Инфракрасная , ядерно-магнитная и электронная спектроскопия некоторых комплексов пентакарбонила карбена хрома (0) и вольфрама (0) показали, что лиганды карбена являются лучшими донорами сигма, чем лиганд карбонила, одновременно ведя себя как сильные акцепторы пи . ^[8] Замены участков железа и кобальта были сделаны, чтобы увидеть, как силовые константы прочности CO влияют на нуклеофильные атаки. Замены иллюстрируют, что нуклеофильные атаки всегда происходят на группе CO с большей силовой константой, когда есть выбор карбонильных групп, присутствующих в молекуле. ^[9]

Дэренсбург был пионером в разработке синтетических имитаторов ферментов гидрогеназы . Они включают синтетические комплексы, включающие виды органометаллических соединений на основе железа, которые служат предшественниками для получения активного центра фермента гидрогеназы, содержащего только железо. Эти ферменты способны проводить реакцию даже при отсутствии организации активного центра на основе белка ^[10] или осуществлять производство протонов с высокой эффективностью. Однако было обнаружено, что эти ферменты гидрогеназы очень чувствительны к кислороду (O ₂ ), который может их чрезмерно окислять и инактивировать. Даже после удаления кислорода они не восстанавливают каталитическую активность немедленно, для этого требуется несколько этапов. ^[11]

В 2020 году Даренсбург и др. сообщили о различных характеристиках видов гидрогеназы на основе Ni-Fe, которые в конечном итоге сталкиваются с повреждением кислородом в течение своей жизни. Хотя некоторые катализаторы гидрогеназы остаются устойчивыми к повреждению кислородом, большинство таких катализаторов обычно подвергаются необратимому повреждению при воздействии. Даренсбург и др. сообщили об обзоре устойчивых технологий расщепления воды, в которых виды гидрогеназы могут быть восстановлены восстановительным путем. Модификации отдельных атомов в активных центрах гидрогеназы позволили настраивать виды деятельности, толерантность к кислороду и структуры катализаторов, что позволило реализовать практическое применение ферментов и хрупких биомиметрических показателей активных центров. Исследования активного центра [NiFeSe]-H ₂ азы представили новые приложения для селена в ферментах гидрогеназы, поскольку комплекс продемонстрировал высокую каталитическую способность к переработке водорода и относительно быстрое восстановление после повреждения кислородом. ^[12]

В начале 2017 года Даренсбург переключила свое внимание на изучение лигандов металлодитиолатов, которые действуют как строительные блоки для синтеза различных биметаллических активных участков ферментов. Лиганды могут действовать как катализатор для проведения различных реакций, в зависимости от того, какой переходный металл находится в центре. ^[13]

Darensbourg et al. сообщили, что лиганды металлодитиолятов с никелевыми центрами могут увеличивать электронную плотность связей, таких как Fe-S, что позволяет легко их расщеплять. ^[14] Darensbourg et al. также определили, что этот комплекс никелевого центра, связанный с атомом свинца, также играет важную роль в присоединении CO и этилена в реакции Сузуки-Мияуры , которая связывает органические соединения бора и галогенидов, наряду с алкилгалогенидами и алкилборанами. ^[15] Кроме того, с центром cCobalt лиганды металлодитиолятов могут катализировать перенос NO и нитрозилатных фрагментов, что позволяет осуществлять конъюгацию гликозидазы динитрозильных комплексов железа . С помощью этой конъюгации другие углеводы могут достичь более высокого потенциала в присоединении для доставки лекарств . ^[7]

В 2023 году Даренсбург начал изучать металлодитиолаты в области молекулярного магнетизма. Видя, что лишь в немногих публикациях сообщалось об анализе линкеров на основе металлов с лигандами серного мостика, Даренсбург и др. охарактеризовали парамагнитный нитрозилированный комплекс железа с лигандами N ₂ S _2. ^[16]

В комплексе блок [Fe(NO)] ²⁺ располагается в центре над полем N ₂ S ₂ , демонстрируя сильную антиферромагнитную связь с триплетом NO ^- . Расчеты теории функционала плотности (DFT) показывают, что спин Fe стабилизируется путем делокализации на окружающие дитиолатные серы. ^[17] Ожидая делокализации спина биметаллических производных при взаимодействии с серой, Даренсбург и др. провели синтез различных мультиметаллических комплексов с серными мостиками. ^[16]

Даренсбург и др. сообщили, что реакции парамагнитного (NO)Fe(N ₂ S ₂ ) с солями [M(CH ₃ CN _n ][BF ₄ ] ₂ образуют ступенчатую структуру связей с плоскими квадратными конформациями MS ₄ . Реакции нитрозилированного комплекса железа проводились с солями металлов, состоящими из Ni ^II , Pd ^II и Pt ^II . Даренсбург и др. сообщили, что каждый триметаллический комплекс продемонстрировал схожие значения растяжения нитрозила в ИК-спектроскопии, несмотря на различия в магнитных свойствах. Расчеты магнитной восприимчивости и DFT дополнительно показали, что каждая из единиц {Fe(NO)} ⁷ проявляет антиферроматическую связь и что каждый лиганд N ₂ S _{2 участвует в} сверхобменном взаимодействии с биметаллическими производными. Взаимодействия, представленные каждым ионом металла, демонстрируют тенденцию к увеличению ковалентности в порядке Ni ^II << Pd ^II << Pt ^II . При сравнении прочности связи каждого Мультиметаллический комплекс с мостиковой связью никеля и серы, Даренсбург и др. пришли к выводу, что антиферроматическая связь каждого спинового центра Fe(NO) облегчается сложным d -орбитальным перекрытием с плоскостью NI ₂ S _2. ^[16]

Darensbourg et al. объяснили, что антиферроматическая связь Fe(NO) представила новые стратегии для получения сильного магнитного обмена в металлодитиолатном комплексе через ⁴ d и ⁵ d орбитальные взаимодействия. Вместо стерических эффектов , различия в идентичности ионов металла играют роль в электронных эффектах каждого магнитного взаимодействия металл-сера. Благодаря комбинациям различных парамагнитных металлодитиолатных доноров и металлических приемников можно приготовить обширную коллекцию тиолатно-мостиковых мультиметаллических комплексов с различной силой магнитной связи. ^[16]

Широкое разнообразие возможных серных мостиковых мультиметаллических комплексов представляет множество возможностей для бионеорганической химии. Даренсбург и др. указали на потенциал для разработки комплексов ⁿ d- ⁴ f , некоторые из которых могут быть использованы в качестве одиночных молекулярных магнитов. Взаимодействия между орбиталями с еще более высокими энергиями позволяют настраивать современные биокатализаторы в эволюционной биологии. ^[16] Улучшенная настраиваемость таких биокатализаторов позволяет синтезировать катализаторы, демонстрирующие долгосрочную устойчивость. ^[17]

Совсем недавно Даренсбург была награждена медалью Уилларда Гиббса Американского химического общества , весьма престижной наградой, признающей вклад химика в эту область. ^[18] В 2018 году Даренсбург была признана профессором года SEC . ^[19] Даренсбург также была награждена премией Американского химического общества в области металлоорганической химии в 2017 году за ее применение металлоорганической химии к активным центрам фермента гидрогеназы и синтетическим аналогам. ^[20] В 2016 году Даренсбург получила награды за свои преподавательские и наставнические способности как в Техасском университете A&M, так и в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе . ^[21] Даренсбург была удостоена премии Косолапоффа 2018 года от кафедры химии и биохимии в Колледже наук и математики в Университете Оберна . ^[22] В 2024 году Даренсбург была удостоена награды «Выдающийся ученый» от Техасской женской сети A&M Aggie Women Network за 2024 год. ^[23]

Интервью Voices of Inorganic Chemistry - Дональд Дж. Даренсбург и Марсетта Й. Даренсбург (ссылка на YouTube)