マルセッタ・Y・ダレンスブール

マルセッタ・ヨーク・ダレンズブールはアメリカの無機化学者です。テキサス A&M 大学の化学の特別教授です。現在は鉄ヒドロゲナーゼと鉄ニトロシル錯体を中心に研究しています。

マルセッタ・バーニス（ヨー​​ク）・ダレンズブールは、 1942年5月4日、ケンタッキー州アルテマスで生まれました。彼女は、学校教師のアトラス・H・ヨークとエルシー・ウォルトン・ヨークの娘です。彼女には、メアリー・ルシール・ヨークという姉と、ラリー・ヘラクレス・ヨークという弟がいます。ダレンズブールは、ケンタッキー州バーバービルにあるノックス・セントラル高校という地元の高校に通いました。高校時代、彼女は勉強熱心で、バンド、合唱団、チアリーディングチームに所属していました。ここで、ダレンズブールは、彼女のロールモデルであるボルトン夫人と出会いました。ボルトン夫人は、ダレンズブールの興味を引く生物学、物理学、化学を教えていました。ダレンズブールが科学の道に進み、教師になりたいと思った理由の1つは、ボルトン夫人から受けた大きな影響でした。^[1]

ダレンズブールは1963年にユニオン大学で化学の学士号を取得し、1967年にイリノイ大学でセオドア・L・ブラウンの指導のもと無機化学の博士号を取得しました。 ^[1]彼女の博士論文は有機リチウム反応の速度論的研究に焦点を当てていました。^[2]

ダレンズブールは1967年から1969年までヴァッサー大学の助教授を務めた。 1971年から1982年までチューレーン大学で教鞭をとり、教授に昇進した。1982年、マルセッタ・ダレンズブールはドナルド・J・ダレンズブールとともにテキサスA&M大学の教授に任命された。彼女はその後2010年に特別教授の称号を授与された。 ^[3]彼女の研究対象には、COおよびCNリガンドを含む二金属ヒドロゲナーゼ酵素が含まれる。

ダレンスブールはInorganic Synthesesの理事であり[ ^4]、同誌第32巻の編集長も務めました。 ^[5] 2011年にはアメリカ芸術科学アカデミーの会員に選出されました。^[6]

周期表の中央に位置する遷移金属、特に鉄、コバルト、ニッケルは、地球上のさまざまな鉱物や、タンパク質などの進化的に設計された生体分子結合部位に捕捉された単一の金属として生物界に存在します。これらの金属が鉱物の拡張構造から自然に除去され、輸送され、それらの部位に選択的に取り込まれる仕組み、そしてそれらの中に何の目的で存在するのかは、Marcetta Darensbourg の研究プログラムの究極のインスピレーションです。このような分子の基本的な化学的特性とそれらの交換のメカニズムは、長く続く研究キャリアを通じて彼女の化学への情熱を刺激してきました。その間、彼女は 287 を超える出版物を発表し、54 人の博士課程卒業生と約 15 人の修士課程学生を指導しました。約 20 人のポスドク研究員が彼女のプログラムに貢献しました。特に、硫化鉄からなる鉱床は、大酸化イベント以前に地球上に存在していた還元性大気中での水素代謝および炭素-炭素結合の形成のための有機金属触媒の起源であると推定されています。進化的に発達した分子記憶があることは、ヒドロゲナーゼおよびアセチルコアシンターゼ酵素のタンパク質フォールド内に埋め込まれた生体触媒活性部位構造に見られます。これらの酵素の中心となる分子構造は、過去 40 年間に進化した知識によって解釈できる特定の形状と分光信号を持っています。

マルセッタの初期の独立した研究は、特定の配位圏における安定化配位子として一酸化炭素、一酸化窒素、シアン化物などの二原子配位子に囲まれた遷移金属を含む分子に関するもので、彼女の 285 を超える出版物のうち最初の 60 の出版物で発表された基礎研究を構成しています。主にチューレーン大学で行われたこの研究の前時代は、彼女が「バイオ有機金属化学」と名付けた、バイオ無機化学のサブセットである新しい化学分野におけるそれらの役割をその後認識する基礎となりました。1982 年にテキサス A&M に移ったことで、その後数十年にわたって、より大規模な大学院生の集団と多数の学部生の同僚に新たな可能性が開かれました。この時期の彼女の研究貢献に関する以下の説明は、彼女が主に国立科学財団と RA ウェルチ財団から資金提供を受けた主要なプロジェクトの数を示しています。これらの出版物は、彼女の Web サイトの番号付きリストに記載されています。全体的に、これらの研究で発見されたパターンは、工業用触媒における遷移金属水素化物の反応性を理解する必要性につながり、自然界における水素化酵素の複雑なメカニズムにおける中間体としての可能性にまで広がりました。  

マルセッタの無機化学コミュニティへの関与は、1985 年に彼女とアンドレア ウェイダがアメリカ化学会のために開催したシンポジウムで早くから実証されました。「実験的有機金属化学: 合成と特性評価の実習」というテーマに興味を持つ無機化学者で会議室が予想外に大勢の聴衆で埋め尽くされたため、「シカゴを忘れない」という言葉は新たな意味を帯びました。最先端の実験家たちは、結果だけでなく、自分たちの研究の進め方についても発表しました。このシンポジウムは同名のモノグラフとなり、合成無機化学におけるマルセッタの役割を確固たるものにしました。

遷移金属に対する配位子としての一酸化炭素の特別な性質により、小さな第一列遷移金属（バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル）上でも電子密度が増加し、形式上の酸化状態が -4 まで低下します。有名な金属から CO 配位子への π 逆結合は、これらの負電荷を安定化します。Marcetta は、金属結合 CO 配位子の酸素と対陽イオンのイオン対形成の幾何学的立体特異性に注目しました。これにより、有機ハロゲン化物を金属カルボニルアニオンに添加することで発生する CC カップリング反応に対する配向効果が確認されました (M-44)。この時期から、彼女は非常に短い知的ステップで金属カルボニル水素化物へと進みました。これは、金属水素化物からの H 除去の要件など、ヒドロゲナーゼのメカニズムを理解する上で重要な機能です (M-47)。

陰イオン性金属カルボニル水素化物の豊富な化学的性質は、オレフィンのヘテロリティック (H ^- /H ⁺ ) H ₂還元における水素移動剤としての使用の可能性を含め、彼女の水素研究の次の目標でした。

           マルチェッタの研究の旅では、協力者たちが重要な役割を果たしました。過去 20 年間で最も注目すべきは、卓越した計算化学者であるマイク ホールの役割です。ホールの構造と結合に関する洞察は、マルチェッタを含む同僚たちの数多くの論文を豊かにしました。水素原子移動の機構設計は、マーティン ニューカムとドン ダレンズブールの専門知識の恩恵を受けました。マルチェッタの晩年、TAMU の科学スタッフ、特に世界的に有名な X 線結晶学者のジョー ライベンスピスほど重要な協力者はいませんでした。

           1980 年代後半から 1990 年代前半にかけて、Marcetta のグループは、チオラート (sp?) を配位子として金属水素化物や金属カルボニルに結び付ける合成にますます取り組みました。Charlie Riordan や Wen-Feng Liaw などの学生とともに、出版物は金属カルボニル クラスター、水素化物、およびチオラートについてますます深く掘り下げました。同僚の Arthur Martell と Paul Lindahl の影響、および大学院生 Dan Mills の粘り強さは、彼女のキャリアの新たな段階への移行に大いに役立ちました。Arthur は、彼女の「古典的な」生物無機化学への関心を後押しし、Paul の ACS 酵素活性部位 (非対称の硫黄架橋 Ni-M 部位) の明らかな化学的混交性の問題により、彼女のグループは、システイン-グリシン-システイン トリペプチドと同様に金属を包み込む驚くべき四座配位 S - - N - - N - - S 配位子モチーフに至りました。四座配位 N ₂ S ₂リガンドが Ni、Fe、Co およびそれらのより重い同族体に結合する能力は、構造と出版物の面で驚異的な成果でした。この豊富な研究は、cis-ジチオラート硫黄の求核性が酸素や金属などの外因性求電子剤との結合に有望であったため、注目を集めました。こうして、明確な構造を持つ S 架橋ヘテロ二、三、四金属の合成に関する新しいパラダイムが確立され、2015 年に発表された徹底的なレビューにつながりました。ACS 活性部位の構築と鉄硫黄クラスターとのさらなる関係に関する Marcetta の洞察は、彼女がヒドロゲナーゼ科学者コミュニティで役立つための準備でした。

1990 年代後半、構造生物無機化学に真のゲームチェンジャーが現れました。ロスアラモスの科学者は、赤外線スペクトルに二原子配位子 CO および CN として解釈できる疑わしいスペクトル特性を発見しました。同時に、フランスの結晶学者は鉄に付着した奇妙に細長い電子密度を発見しました。カレッジステーションの化学者らは、これらの観察結果と、自然が [NiFe]-H ₂アーゼ活性部位を、一般的なハードドナー塩基ではなく一酸化炭素配位子とシアン化物配位子を使用するように開発した可能性との関連性を認識しました。合成無機化学者にとって、これは鉄の小分子モデルをターゲットにして、生物物理化学者が決定した酵素活性部位のスペクトル特性と一致または検証できる可能性があることを意味しました。酸化還元活性ヒドロゲナーゼとアセチルコアシンターゼの場合、選択された分光法は、あまり一般的ではない電子スピン共鳴であったことに言及する必要があります。二原子リガンドが検証されたため、多くの合成無機/有機金属化学者が生体模倣化学者としてこの分野に参入できるようになりました。

           ニッケル鉄ヒドロゲナーゼから二鉄ヒドロゲナーゼへのステップは簡単でした。Marcetta と 2 人の尊敬される競争相手は、後者の酵素と一致する特定の特性を持つジチオラート架橋二鉄ヘキサカルボニルをほとんど変更せずに文献に発表し、構造決定から数か月以内に発表しました。[FeFe]-H ₂アーゼの物語に多くの支持者が関心を寄せ、その原理を使用してプロトンを水素に還元するための豊富な金属電極触媒を構築する可能性に関心を寄せたため、興奮した時代でした。

現在、マルセッタはヒドロゲナーゼから着想を得て、合成技術を応用して、電子密度と電子スピンを非局在化する分子を設計している。後者の主要成分は、別の二原子リガンドである一酸化窒素である。コロナ禍の間、彼女のグループは鉄ニトロシルを含むNO移動試薬の例を開発した。別の酵素活性部位であるニトリルヒドラターゼに見られる鉄のN2S2結合部位と同じものが、人体生理学にとって重要なNO結合とNO移動の優れた媒体になることが判明した。グループは、長距離での結合と電子スピン結合の原理を確立した。

Darensbourg は有機リチウム化合物の特定の速度論的側面を調査した。これらの研究の過程で、tert-ブチルリチウムが四量体から二量体へ解離する律速段階の速度論が分析された。^[7]この研究では、7Li 核磁気共鳴 (NMR) を使用して、tert-ブチルリチウム混合物の平衡の律速段階を描写し、四量体から二量体への解離が鍵であることを明らかにした。特に、解離速度は使用する溶媒によって大きく影響され、トルエンの解離速度はシクロペンタンよりも大幅に速いことが判明した。この発見はまた、これらの反応における立体配置の役割を浮き彫りにしており、tert-ブチルリチウムはサイズが大きいため、他のアルキルリチウム化合物と比較して分子間交換速度が独特のほど遅い。トリエチルアミンなどの塩基が少量存在するだけでも、交換速度が大幅に加速することが観察されている。^[7]質量分析法を用いると、気相中の他の有機リチウム種との相互会合の存在も観察できた。^[7]

ダレンスブールは、反応性で調べることができる電荷分布分子に興味を持ち、金属カルボニルへの求核攻撃のマッピングに関する研究に着手した。クロム(0)とタングステン(0)のいくつかのカルベンペンタカルボニル錯体の赤外線、核磁気共鳴、電子分光法は、カルベン配位子がカルボニル配位子よりも優れたシグマ供与体であると同時に、強いπ受容体としても挙動することを示した。^[8] CO強度力定数が求核攻撃にどのように影響するかを見るために、鉄とコバルトのサイトの置換が行われた。この置換により、分子内に存在するカルボニル基の選択肢がある場合、求核攻撃は常に力定数が大きいCO基で発生することが示された。^[9]

Darensbourg は、ヒドロゲナーゼ酵素の合成模倣物の開発の先駆者です。これには、鉄のみのヒドロゲナーゼ酵素活性部位を生成するための前駆体として機能する、Fe ベースの有機金属種を特徴とする合成錯体が含まれます。これらの酵素は、タンパク質ベースの活性部位組織がなくても反応を実行したり^[10]、高効率でプロトン生成を実行したりできます。ただし、これらのヒドロゲナーゼ酵素は酸素 (O ₂ ) に対して非常に敏感であることが判明しており、酸素によって過剰に酸化され、不活性化される可能性があります。酸素が除去された後でも、すぐには触媒活性を回復せず、回復するには複数のステップが必要です。^[11]

2020年、Darensbourgらは、その寿命の間に最終的に酸素による損傷を受けるNi-Feベースのヒドロゲナーゼ種のさまざまな特性を報告しました。一部のヒドロゲナーゼ触媒は酸素による損傷に対して耐性を維持していますが、そのような触媒の大部分は通常、曝露されると不可逆的な損傷を受けます。Darensbourgらは、ヒドロゲナーゼ種を還元的に修復できる持続可能な水分解技術の概要を報告しました。ヒドロゲナーゼ活性部位内の単一原子の修飾により、カスタマイズ可能な活性、酸素耐性、触媒の構造が可能になり、酵素の実用化と活性部位の脆弱な生体模倣が可能になりました。[NiFeSe]-H ₂ ase活性部位の研究により、複合体は高い水素処理触媒能力と酸素による損傷からの比較的迅速な回復を示したため、ヒドロゲナーゼ酵素におけるセレンの新たな用途が示されました。^[12]

2017年の初め、ダレンスブールは、さまざまな二金属酵素活性部位の合成の構成要素として機能するメタロジチオラート配位子の研究に焦点を移しました。配位子は、中心にある遷移金属に応じて、さまざまな反応を実行する触媒として機能します。^[13]

Darensbourgらは、ニッケル中心を持つメタロジチオラート配位子はFe-S などの結合の電子密度を高め、それらの結合を容易に切断できることを報告した。^[14] Darensbourgらはまた、鉛原子と結合したこのニッケル中心錯体が、アルキルハロゲン化物およびアルキルボランとともにホウ素およびハロゲン化物の有機化合物を結合させる鈴木-宮浦反応における CO およびエチレンの付加においても重要な役割を果たすことを突き止めた。 ^{[15]さらに、cCobalt 中心を持つメタロジチオラート配位子は NO およびニトロシル化部分の移動を触媒することができ、これにより}ジニトロシル鉄錯体のグリコシダーゼ結合が可能になる。この結合により、他の炭水化物が薬物送達のために結合する際に高い可能性を実現できる。^[7]

2023年、ダレンズブールは分子磁性の分野でメタロジチオラートの研究を始めました。硫黄架橋配位子を持つ金属ベースのリンカーの分析を報告した論文がほとんどないことに気づき、ダレンズブールらはN ₂ S _{2配位子を持つ}常磁性ニトロシル化鉄錯体を特徴付けました。^[16]

この錯体では、[Fe(NO)] ²⁺ユニットがN ₂ S ₂フィールドより上に集中しており、三重項NO ^-と強い反強磁性結合を示す。密度汎関数理論（DFT）計算によると、Feスピンは周囲のジチオラート硫黄に非局在化することで安定化することが示唆されている。^[17]硫黄との相互作用による二金属誘導体のスピン非局在化を期待して、Darensbourgらはさまざまな硫黄架橋多金属錯体の合成を行った。^[16]

Darensbourgらは、常磁性の (NO)Fe(N ₂ S ₂ ) と [M(CH ₃ CN _n ][BF ₄ ] _{2塩との反応が、正方形平面 MS 4}配座を持つ階段状の結合配置を形成することを報告した。ニトロシル化鉄錯体の反応は、Ni ^II、Pd ^II、および Pt ^IIからなる金属塩で行われた。 Darensbourgらは、各三金属錯体が、磁気特性が異なるにもかかわらず、 IR 分光法で同様のニトロシル伸縮値を示したことを報告した。さらに、磁化率と DFT 計算により、{Fe(NO)} ⁷ユニットのそれぞれが反強磁性結合を示し、各 N ₂ S _{2リガンドが二金属誘導体と}超交換相互作用していることが示された。各金属イオンによって示される相互作用は、 Ni ^II << Pd ^II << Pt ^IIの順序で共有結合性が増加する傾向を示した。各ニッケル硫黄架橋多金属錯体の結合強度を比較したところ、複合体では、ダレンスブールらは、各Fe(NO)スピン中心の反強磁性結合はNI ₂ S _{2平面との複雑な}d軌道の重なりによって促進されると結論付けた。^[16]

Darensbourgらは、 Fe(NO)の反強磁性結合が、^4dおよび^{5d軌道相互作用を介してメタロジチオラート錯体内で強力な磁気交換を得るための新しい戦略を提示したと説明した。}立体効果の代わりに、金属イオンのアイデンティティの違いが、各金属-硫黄磁気相互作用の電子効果に影響を与える。さまざまな常磁性メタロジチオラート供与体と金属受容体の組み合わせにより、さまざまな磁気通信強度を持つチオラート架橋多金属錯体の膨大なコレクションを調製することができる。^[16]

硫黄架橋多金属錯体の多様性は、生体無機化学に多くの可能性をもたらします。 Darensbourgらは、ⁿ d- ⁴ f 錯体の開発の可能性を示しており、その一部は単分子磁石として使用できます。さらに高いエネルギーを持つ軌道間の相互作用により、進化生物学における最新の生体触媒のカスタマイズが可能になります。^[16]このような生体触媒の調整可能性の向上により、長期的な持続可能性を示す触媒の合成が可能になります。^[17]

最近では、ダレンズブールはアメリカ化学会ウィラード・ギブス賞を受賞しました。これは、化学者の分野への貢献を表彰する非常に権威のある賞です。 ^[18] 2018年、ダレンズブールはSECの年間最優秀教授に選ばれました。^{[19]ダレンズブールは、}ヒドロゲナーゼ酵素活性部位と合成類似体への有機金属化学の応用により、2017年にアメリカ化学会有機金属化学賞も受賞しました。 ^[20] 2016年、ダレンズブールは、テキサスA&M大学とUCLAの両方で教育と指導の能力を評価されました。^{[21]ダレンズブールは、}オーバーン大学理学部化学・生化学科から2018年のコソラポフ賞を受賞しました。^[22] 2024年、ダレンズブールはテキサスA&Mアギー女性ネットワークから2024年優秀学者賞を受賞した。^[23]

無機化学の声インタビュー -ドナルド J. ダレンズブールとマルセッタ Y. ダレンズブール (YouTube リンク)