Водородные связи второй координационной сферы способствуют каталитическому восстановлению нитрата на железе

Нитрат (NO3−) — распространённый загрязнитель грунтовых вод с множеством негативных последствий для окружающей среды и здоровья человека. Проблема возникает из-за широкого применения удобрений в сельском хозяйстве: неусвоенный нитрат попадает в водные источники со стоками, стимулирует рост цианобактерий, вызывая эвтрофикацию и гибель морских организмов. Ремедиация загрязнённых нитратом вод возможна путём физического разделения и/или химического восстановления; методы разделения (ионный обмен, обратный осмос и другие) лишь переносят нитрат в отходы, требующие дополнительной обработки. Восстановление NO3− способно давать безвредные или ценные продукты с различной степенью окисления азота, однако инертность этого аниона делает такие превращения очень энергозатратными. Наиболее сложный этап деоксигенации нитрата — первое восстановление, что связано с прочными связями N=O и крайне слабым связыванием аниона с переходными металлами. Одна из стратегий преодоления этих ограничений — использование достаточно оксофильных металлов, таких как V, Cr, Mn, Mo, W, Re и лантаноиды.

Различные гомогенные последовательности восстановления реализуются как в стехиометрическом, так и в каталитическом режиме. Группа Holm разработала первый комплекс Mo(IV), селективно и стехиометрически восстанавливающий NO3− до NO2−. Опираясь на эти прецеденты, группы Sarkar, Mösch-Zanetti, Lin, Kim и Espenson независимо получили комплексы Mo=O и Re=O, продемонстрировав каталитическое восстановление NO3− с числом оборотов (TON) до 120. В этих случаях реакции движимы окислением фосфина или сульфида до термодинамически устойчивых связей P=O и S=O. Стехиометрическое восстановление до оксида азота (NO) достигнуто на комплексах Fe и Cu, а каталитическое — на Fe и Ni. Отдельные примеры показывают, что дальнейшие продукты восстановления (например, NH3 и N2) могут получаться на комплексах Mo, Fe, Sm или комбинациях с железными порфиринами.

Перспективными направлениями остаются фотохимические и электрохимические подходы с гетеро- и гомогенными катализаторами, где актуальны задачи минимизации энергозатрат (низкие перенапряжения и/или высокие квантовые выходы), высокой селективности продуктов и увеличения скоростей. Альтернативные подходы показали возможность превращения нитрата в нитрозоний (NO+), пригодный для каталитических органических превращений, включая дезаминирующее функционализирование и образование оксимов из алкилбромидов с in situ генерируемым NO. Несмотря на прогресс, гомогенные катализаторы восстановления нитрата в целом работают с умеренной активностью, а принципов рационального конструирования таких катализаторов немного.

Ориентиры для дизайна систем связывания и восстановления нитрата даёт биологический механизм глобального круговорота азота. Природное решение для связывания и активации нитрата — сети водородных связей (H-связей), образованные аминокислотными остатками, критичными для функции нитрат-транспортных белков и нитратредуктаз. Исследования сайт-направленного мутагенеза высокоаффинных нитрат-транспортных белков (Ka ≈ 10^7 M−1) показали, что за селективное связывание NO3− отвечают два консервативных остатка аргинина (Arg87 и Arg303). Двойная замена этих аргининов на лизин — нейтральный донор H-связей — снижала аффинность связывания нитрата на два порядка по сравнению с диким типом.

Подобно транспортным белкам, нитратредуктазы опираются на кислотные остатки для позиционирования и направления NO3− к металлическому активному центру. Субстратный канал выстлан донорами H-связей и завершается консервативным остатком глутаминовой кислоты (Glu581), удалённым на 10 Å от Mo-центра. Замена Glu581 на Asp снижала аффинность к субстрату на два порядка, а замена на Gln — уменьшала kcat на три порядка. Эти данные указывают, что и размещение, и кислотность остатков второй сферы существенны для ферментативного связывания, транспорта и восстановления нитрата.

Чтобы воспроизвести усиление реакционной способности за счёт H-связей в синтетических системах, были разработаны лигандные каркасы с донорами H-связей второй сферы — в первую очередь для стабилизации высоковалентных металл-кислородных интермедиатов. Группа Fout создала Fe(II)-азафулвен-аминный комплекс с подвешенными H-связями, катализирующий восстановление NO3− до NO (TON = 3.5), а в присутствии смесей NEt3/PPh3 или NaK/трифлата лютидиния ([LutH][OTf]) — ступенчатое восстановление до N2 или NH3 соответственно.

Сама группа авторов ранее показала, что подвешенные анилиновые доноры H-связей негемового железного комплекса TPANHPhFe(II)(X)2 (X = OTf, NTf2; I-OTf, I-NTf2) обладают высокой аффинностью к оксидным и гидроксидным продуктам. По сравнению с соединениями без H-связей эти комплексы быстро реагировали с O2 и NO2− с образованием ядер Fe(III)OH и Fe(III)2(μ-O)2^2+ соответственно, обеспечивая каталитическое восстановление ClO4− и оксигенирование связей C–H. Исходя из этих результатов, авторы предположили, что I-OTf будет также пригоден для восстановления NO3− — за счёт сочетания активации связи N–O, перераспределения заряда и стабилизации продуктов водородными связями второй сферы, — и позволит уточнить параметры, необходимые для стимулирования восстановления.

Чтобы оценить вклад H-связей в связывание и активацию нитрата, авторы сравнили комплексы с лигандами, содержащими и не содержащими H-связи. Поскольку целью было выявить структурно-функциональные параметры, усиливающие связывание, активацию и восстановление, связывание NO3− изучали на цинке — редокс-инертном металле, что позволило отделить эффекты связывания второй сферы от редокс-реакционной способности (например, переноса атома кислорода). Ранее авторы показали, что 6-замещённые лиганды tris(2-пиридилметил)амина (TPA) сохраняют сходную электронную среду первой сферы (спиновое состояние и потенциалы восстановления), поэтому были выбраны два варианта: с подвешенными донорами H-связей –HNPh (TPANHPh) и с группами –CH3 (TPAMe). Металлирование обоих лигандов ZnOTf2 дало комплексы I-Zn и II-Zn соответственно.

Аффинности связывания NO3− для I-Zn и II-Zn количественно определили методом последовательных добавок [Bu4N][NO3] с контролем по спектроскопии ЯМР 1H. Изотермы связывания лучше всего описывались смешанной моделью (Zn:NO3−) 2:1/1:1/1:2, отражающей несколько различных мод связывания. Константы связывания I-Zn составили K1:1 = (1.5 ± 0.6) × 10^6 M−1, K2:1 = 41 ± 6 M−1 и K1:2 = (2.6 ± 0.4) × 10−1 M−1. Для II-Zn аффинности существенно ниже: наибольшая разница наблюдается для первой стадии связывания, K1:1 = 0.18 ± 0.04 M−1, что на семь порядков слабее, чем у I-Zn. Эти результаты дополняют предыдущие исследования Marque-Rivas, показавшие усиление связывания фосфатных эфиров (10^4) на родственном комплексе Zn–TPA с ослаблением на порядок при удалении одной H-связи. Полученные данные дополнительно подтверждают, что удаление H-связей резко снижает аффинность к нитрату, согласуясь с результатами мутагенеза в нитрат-транспортных белках и нитратредуктазах.

Для структурной характеристики среды связывания NO3− кристаллы, полученные в экспериментах по связыванию, исследовали монокристальной рентгенодифракцией. Наиболее примечательная особенность — развитое окружение H-связей вокруг аксиального NO3−. Два подвешенных анилиновых донора образуют две H-связи умеренной силы с атомом O1 (N2–O1 2.911(2) Å; N3–O1 2.794(2) Å; углы N2–H–O1 148° и N3–H–O1 161°) и одну более слабую связь с O2 (N4–O2 3.075(2) Å; угол N4–H–O2 163°). Связь N1–O1 в I-Zn(NO3)2 (1.323(2) Å) — одна из самых длинных среди структурно охарактеризованных нитрат-ионов (выше 99-го перцентиля). В отсутствие H-связей наблюдались другой режим связывания, другая стехиометрия и более короткая связь N1–O1: вариант с TPAMe образовал искажённый тригонально-бипирамидальный Zn-комплекс с одним κ2-O,O′-нитрат-лигандом (II-Zn(NO3)) и менее активированным нитрат-ионом (N1–O1 1.301(3) Å; 93-й перцентиль). Эти структурные данные показывают, что водородные связи удлиняют отдельные связи N–O нитрата, что указывает на перераспределение заряда относительно свободного нитрата.

Экспериментальные результаты дополнили расчётами в рамках теории функционала плотности, чтобы понять влияние H-связей на электронную структуру NO3−. Оптимизация геометрии I-Zn(NO3)2 совпала с твёрдофазной структурой, а расчёты дополнительно валидировали сопоставлением аффинностей связывания. H-связи к нитрату визуализировали методом анализа нековалентных взаимодействий (NCI), дающим графическое представление о наличии и силе таких взаимодействий. NCI-график I-Zn(NO3)2 показывает три выраженных притягивающих взаимодействия, согласующиеся с короткими контактами N–H···O в твёрдофазной структуре, которые авторы приписали H-связям. Напротив, NCI-анализ аналогичного аддукта II-Zn(NO3)2 выявляет лишь слабые ван-дер-ваальсовы взаимодействия между группами CH3 и аксиально связанным NO3−.

Чтобы оценить влияние H-связей на электронику нитрат-иона (распределение заряда и поляризацию связей), авторы проанализировали различия зарядов по методу природных связующих орбиталей (NBO) и индексов связей Виберга (WBI) между свободным NO3−, I-Zn(NO3)2 и II-Zn(NO3)2. Заряд на O1 в I-Zn(NO3)2 оказался наиболее отрицательным, −0.685, что на 0.055 и 0.03 отрицательнее, чем у свободного NO3− и II-Zn(NO3)2 соответственно. Дальнейший анализ показал, что водородные связи выполняют четыре функции: усиливают связывание, удлиняют проксимальную связь N–O, перераспределяют заряд внутри аниона и пертурбируют орбитальные энергии нитрата, опуская его π*-орбиталь в LUMO, — тем самым активируя нитрат к восстановлению.

Замена редокс-инертного цинка на редокс-активное железо приводит к деоксигенации нитрата. Стехиометрические эксперименты дали механистическое представление о роли димерных интермедиатов и их превращении в более реактивные мономерные частицы. Опираясь на эти механистические выводы, авторы достигли каталитического восстановления нитрата как в термических, так и в фотохимических условиях — с образованием NO и NH3 соответственно и с высокими числами оборотов.