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

The water-to-oxygen redox couple, H2O/O2, powers our aerobic life through the fundamental processes of natural photosynthesis and cellular respiration. Despite its vital role, any failure of this four-electron mechanism turns out to release O2-derived toxic radicals, inducing a severe oxidative damages of any synthetic and biological materials exposed to the aerobic risk. The aerobic formation of ROS is due to oxygen reduction in-vivo, generating the superoxide anion (O2•–), hydrogen peroxide (H2O2), and the hydroxyl radical (HO•). ROS give rise to fast, barrier-less, short-range and non-selective oxidation steps, being responsible for the “oxidative stress”, a key factor for cellular death, organ failure and aging diseases. In addition photo-oxidative stress is one key factor limiting plant productivity, i.e. bio-mass and food yield. Noteworthy, ROS-forming mechanisms are also lethal for the stability of bio-inspired materials designed for artificial photosynthesis in vitro. The biological defense against ROS-induced cellular damage stems from the combined action of “anti-oxidant” metallo-enzymes, as superoxide dismutase (SOD), and catalase (CAT). A detoxification cascade occurs via SOD-induced dismutation of O2•– into O2 and H2O2 which is then converted by CAT into H2O and O2 again. In this thesis will be presented the design of a set of novel anti-oxidant catalysts, based on different metal centers, that can emerge by the engineering of a synzyme with integrated SOD/CAT activity able to mimic both the enzymes activities and efficiently perform a complete ROS scavenging also in biological-like solution. The activity of the synzymes will be also tested in water splitting processes to perform both the water oxidation than the proton reduction reactions in water at neutral pH, a key feature to obtain sustainable energy sources from water. The obtained results will be divided in four main chapters: - Chapter 2: coupling of a polycationic Mn(III)-porphyrin, with a dinuclear Mn2(II,II)L2 core results in a dual Superoxide Dismutase (SOD) and Catalase (CAT) functional analog, Mn2L2Pn+, enabling a detoxification cascade of the superoxide anion and hydrogen peroxide into benign H2O and O2. The SOD/CAT artificial manifolds, joined in one asset, exhibit a peak catalytic performance under physiological conditions, with log kcat(O2•–) ≥ 7 and kcat(H2O2)/KM = 1890. The dual-enzyme (di-zyme) concept allows for a unique, built-in-self-protection, against the irreversible bleaching of the porphyrin unit, (> 75% protection), readily induced by H2O2 (200 μM, 20 equivalents, in buffer solution, pH=7.8). We show herein that incubation of the photosynthetic green algae, Chlamydomonas reinhardtii, with the synthetic di-zyme (as low as 0.1 μM), prevents H2O2 accumulation under high-light illumination conditions, thus providing an efficient anti-oxidant surveillance and photo-protection. - Chapter 3: dinuclear Cu(II)2L2 catalysts were synthesized and studied for their SOD/CAT activity. The goal of this study was to demonstrate that with a proper ligand set, is it possible tune the reactivity of an harmful metal like copper, turns it to a benign anti-oxidant system. The dinuclear copper complexes show SOD activity with logkcat up to 7.55 and CAT activity with rate of O2 production up to 4.4 μM/s. Kinetic studies of the process of hydrogen peroxide dismutation show also an evolution of the catalyst during the catalytic turnover. No evidence of oxidation of external substrates was also confirmed as consequence of the sacrificial internal scavenger. - Chapter 4: novel Fe(III)L, Fe(III)2L2 and Co2(II)L2 complexes have also been isolated. Preliminary results indicate that a multi-redox manifold is available for both species, however with scarce activity as ROS scavenger. These complexes show instead an interesting activity in the water oxidation process. In addition the anodic waves observed in reduction are promising for catalytic proton reduction processes performed by using directly water as proton source. - Chapter 5: application of oxygen evolving catalysts within functional materials has been explored in the field of porous membranes. This novel stimuli-responsive strategy against the irreversible fouling of porous materials and surfaces is based on the molecular design of catalytic pore walls that foster a chemo-mechanical, self-cleaning behaviour under neutral pH and mild conditions of pressure and temperature. To this aim, the catalase-like behaviour of the tetra-ruthenium substituted polyoxometalate, has been exploited for in-pore oxygen evolution so to induce an active fluid mixing and the displacement of foulant particles. The present study includes the fabrication of hybrid polymeric films with porous architecture embedding the tetra-ruthenium catalyst as artificial catalase to guarantee the material self-defence against pore occlusion and oxidative damage with aqueous H2O2 as mild chemical effector.

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.