Emiel Dobbelaar

• This thesis describes the synthesis and extensive characterization of mononuclear cis-(carboxylato)(hydroxo)iron(III) and cis-(carboxylato)(aqua)iron(II) complexes among others and illuminates their capability to engage in hydrogen atom transfer reactions via reactivity studies with suitable substrates. The employed carboxylates include benzoate, p-nitrobenzoate, and p-methoxybenzoate. Additionally, the first example for a solution-stable mononuclear cis-di(hydroxo)iron(III) complex is presented, the extensive characterization of which aims to contribute to the identification of spectroscopic markers and a better understanding of the role of the carboxylate ligand in the above-mentioned complexes. The cis-(carboxylato)(hydroxo/aqua)iron(III/II) complexes match the coordination environment and the electronic properties of the active iron site in the resting state of rabbit lipoxygenase as well as of the reaction intermediates postulated for the enzymatic mechanism. In addition to being excellent structural and electronic models, the cis-(carboxylato)(hydroxo)iron(III) complexes display reactivity in abstracting hydrogen atoms from (weak) O–H and C–H bonds of suitable substrates, thus proving themselves to be worthy functional model complexes for lipoxygenases. The findings are supported with extensive structural, spectroscopic, spectrometric, magnetic, and electrochemical investigations as well as with quantified thermodynamic and kinetic parameters to allow for an adequate comparison between the derivatives with varying carboxylate ligands and to other works. Moreover, the reactivity investigation for the cis-(benzoato)(hydroxo)iron(III) (the first example found) was exemplary accompanied by a thorough theoretical study (done by external cooperation partners), which validates the experimental results and identifies an underlying concerted protoncoupled-electron-transfer (cPCET) mechanism for the cis-(carboxylato)(hydroxo)iron(III) complexes – analogous to the one suggested for the enzyme. The synthesis and study of a functional structural model complex is extremely challenging and rarely successful. Thus, this result alone represents a significant scientific advancement for the field, as no such model for lipoxygenases had been precedented prior to this project. The in-depth studies with derivatives of the initial cis-(benzoato)(hydroxo/aqua)iron(III/II) complexes further contribute to this advancement by illuminating structure-function relations.
• Diese Arbeit beschreibt u.a. die Synthese und umfangreiche Charakterisierung von mononuklearen cis-(carboxylato)(hydroxo)Eisen(III)- und cis- (carboxylato)(aqua)Eisen(II)-Komplexen und beleuchtet deren Fähigkeit, H-atom Transferreaktionen mit geeigneten Substraten durchzuführen. Zu den verwendeten Carboxylatliganden im Rahmen dieser Untersuchungen gehören Benzoat, p-Nitrobenzoat und p-Methoxybenzoat. Weiterhin wird in dieser Arbeit das erste Beispiel für einen mononuklearen cis-Di(hydroxo)eisen(III)-Komplex vorgestellt, welcher in Lösung nachweislich stabil ist. Dessen umfangreiche Charakterisierung trägt nicht nur zum besseren Verständnis der Rolle des Carboxylatliganden in den o.g. Komplexen bei, sondern beschreibt außerdem seine spektroskopischen Eigenschaften, welche der Identifikation solcher Spezies in zukünftigen Studien dienlich sein könnten. Die cis-(carboxylato)(hydroxo/aqua)eisen(III/II)-Komplexe entsprechen der Koordinationsumgebung und den elektronischen Eigenschaften des aktiven Zentrums der Kaninchen-Lipoxygenase. Dies gilt sowohl für den Ruhezustand als auch für die, für den enzymatischen Mechanismus postulierten, reaktiven Zwischenprodukte. Die genannten Komplexe sind nicht nur hervorragende strukturelle und elektronische Modelle, sondern zeigen auch eine Reaktivität mit (schwachen) O–H und C–H Bindungen geeigneter Substrate und erweisen sich damit als würdige funktionale Modellkomplexe für Lipoxygenasen. Die Ergebnisse dieser Arbeit werden durch umfangreiche strukturelle, spektroskopische, spektrometrische, magnetische und elektrochemische Untersuchungen sowie durch quantifizierte thermodynamische und kinetische Daten unterstützt, um einen adäquaten Vergleich zwischen den Derivaten mit verschiedenen Carboxylat-Liganden und anderen Arbeiten zu ermöglichen. Für die Reaktivitätsstudien des cis(-benzoato)(hydroxo)Eisen(III) Komplexes wurde weiterhin in externer Kooperationsarbeit eine gründliche theoretische Studie durchgeführt, die die experimentellen Ergebnisse validiert und einen zugrunde liegenden konzertierten protonengekoppelten Elektronentransfermechanismus (cPCET) für die Reaktivität dieser Komplexe identifiziert – analog zu dem Mechanismus, der für das Enzym vorgeschlagen wird. Die Synthese und Untersuchung eines funktionalen strukturellen Modellkomplexes ist äußerst herausfordernd und gelingt nur selten. Daher stellt dieses Ergebnis allein schon einen bedeutenden wissenschaftlichen Fortschritt für das Gebiet dar, besonders da es vor dem Abschluss dieses Projekts noch kein solches Modell gab. Die weiterführenden Synthesen von Derivaten der initialen cis(-benzoato)(hydroxo/aqua)eisen(III/II)-Komplexe und deren Untersuchungen tragen weiter zu diesem Fortschritt bei, indem sie die Struktur-Funktions-Beziehungen vertieft herausstellen.