Chemical Models of Nonheme Iron Monooxygenases; Reactive Intermediates and Catalytic Reactions

Abstract

Nonheme에서의 산소화 효소 중간체인 Fe^(Ⅳ)=O종이 존재한다는 사실은 crystal구조로 인해 잘 알려져있다. 이 논문에서는 Nonheme 시스템에서 두가지 리간드를 이용한 Fe^(Ⅳ)=O종을 동위원소로 표지된 물실험(H₂^(18)O)을 통하여 oxygen exchange의 매카니즘을 규명하려고 한다. [Fe^(Ⅱ)(TMC)(OTf)₂]은 다양한 산화제와 반응하여 옅은 녹색의 반응 중간체인 [Fe^(Ⅳ)(O)(TMC)(NCCH₃)](OTf)₂종을 형성한다. 이 Fe^(Ⅳ)=O종을 thioanisole과 반응시키면 thioanisole oxide가 형성된다. 같은 방법으로 10℃의 CH₃CN 용액에 녹은 [Fe^(Ⅱ)(TMC)(OTf)₂]에 동위 원소로 표지된 물(H₂^(18)O)을 넣고 중간체를 생성했을 경우엔 thioanisole oxide의 mass peak이 2가 증가한 것을 확인할 수 있었다. 이 결과를 토대로 [Fe^(Ⅱ)(TMC)(OTf)₂]에서의 Fe^(Ⅳ)=O종이 동위원소로 표지된 물(H₂O^(18))과 치환된다는 것을 ESI-MS분석을 통해 밝혀내었다. 또한 tetradentate 리간드인 TMC에서 뿐만 아니라 pentadentate인 N4Py 리간드인 경우에도 Fe^(Ⅳ)=O종이 동위원소로 표지된 물(H₂^(18)O)과 치환된다는 것을 확인하였다. 이러한 동위원소로 표지된 물실험 (H₂^(18)O)을 통하여 산화제에 의하여 생성된 Fe^(Ⅳ)=O종의 oxygen이 물의 oxygen과 치환되는 매카니즘을 nonheme에서의 oxo-hydroxo tautomerism을 이용하여 제시하였다.;We report in this study that a mononuclear nonheme oxoiron(Ⅳ) complex,[Fe(Ⅳ)(TMC)(O)]^(2+) (TMC = 1,4,8,11-tetramethyl-1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane), was generated in the reaction of its corresponding Fe(Ⅱ) complex, [Fe(TMC)(CF₃SO₃)₂], and O₂. The formation of oxoiron(Ⅳ)species was markedly dependent on iron(Ⅱ) complexes and solvents, and this observation was interpreted with the electronic effect of iron(Ⅱ) complexes on dioxygen activation to form oxoiron(Ⅳ) species. A catalytic oxidation of organic substrates by O₂ was demonstrated in the presence of the [Fe(TMC)]^(2+) complex. By carrying out ^(18)O-labeled water experiment, we were able to conclude that the oxidation of substrates is mediated by the oxoiron(Ⅳ) species, not by a radical-type of autoxidation process. Evidence that nonheme oxoiron(Ⅳ) complexes exchange their oxygen with H₂^(18)O was obtained for the first time, by monitoring electrosprayionization mass spectral changes of the oxoiron(Ⅳ) species. The oxygen exchange depended markedly on the amounts of H₂^(18)O and reaction temperatures but not on the presence of trans axial ligand;효소와 생체모방시스템에서 O₂ activation에 대한 연구는 지난 20년간 계속되어왔다. O₂는 생체모방시스템에서 가장 중요한 산화제이다. 그러나 금속화합물을 사용한 실험에서 O₂를 사용한 실험은 컨트롤 과정에서 많은 어려움이 있었다. 지금까지 dinuclear nonheme Fe^(Ⅳ)=O의 O₂ activation에 대한 연구는 많이 발표되었다. 이 논문에서는 mononuclear nonheme Fe^(Ⅳ)=O의 O₂ activation과 catalytic aerobic oxidation에 대하여 발표하고자 한다. [Fe^(Ⅱ)(TMC)(OTf)₂]는 순수한 CH₃CN 용액속에서는 2가로 존재한다. 그러나 용매 조건을 달리하여 알코올과 CH₃CN 혼합용액에서는 [Fe^(Ⅳ)(O)(TMC)(NCCH₃)](OTf)₂를 형성한다. 이것을 UV-visible, ESI-MS 등을 통해서 확인하였다. 동위 원소로 표지된 산소(^(18)O₂)와 동위원소로 표지된 물(H₂^(18)O)을 사용했을 경우에는 m/z이 2가 증가하였으며 이 결과는 [Fe^(Ⅱ)(TMC)(OTf)₂]가 공기중의 산소를 산화제로 사용하여 Fe^(Ⅳ)=O를 형성했으며 형성된 Fe^(Ⅳ)=O가 동위원소로 표지된 물(H₂^(18) O)과 치환을 하며 그 속도는 순수한 CH₃CN 용액속에서 보다 빠르게 전환된다는 것을 알 수 있었다. O₂ activation으로 형성된 Fe^(IV)=O는 산소압 하에서 PPh₃, benzyl alcohol, thioanisole과 반응하여 산소를 기질로 전달하는 것을 알 수 있었다. 동위 원소로 표지된 물(H₂^(18)O)을 사용하였을때는 기질로 ^(18)O이 전달되어 그 함량이 80%정도 된다는 것을 LC-MS를 사용하여 확인하였다. 다른 용매 조건에서도 Fe^(Ⅳ)=O가 생성되는 것을 확인하였다. CH₃CN과 Ether의 혼합액에서도 Fe^(Ⅳ)=O가 생성된다. 그런데 Fe^(Ⅳ)=O가 생성되는 속도가 alcohol 종류와 ether 종류에 따라 달랐다. 용매조건과 intermediate의 생성속도와의 관계를 순환전기법을 사용하여 알아보았다. 그 결과 Fe^(Ⅱ/Ⅲ) 값이 클수록 Fe^(IV)=O를 생성하기 어렵다는 것을 발견하였다.