Hydrogen Atom Abstraction and Hydride Transfer Reactions by Iron(IV)-Oxo Porphyrins

Abstract

Cytochrome P450과 같이 생체 내 효소의 촉매 회로에서 발견되는 heme 철 효소에서의 고(高)-산화가의 철-옥소 종은 산소의 활성과 산소 원자 전달 반응의 활성 중간체라고 제안되어 왔다. 고(高)-산화가의 철-옥소 종에는 iron(IV)–oxo porphyrin π-cation radical (compound I) 과 iron(IV)–oxo porphyrin (compound II) 의 두 종류가 있다. 전자는 여러 가지 산화 반응에 대한 반응성이 잘 알려져 있으나 후자는 전자에 비해 상대적으로 낮은 산화력 때문에 연구가 미진한 실정이다. 그러므로 본 논문에서는 생체 내 유기물 산화 반응에 관여하는 활성 종의 하나인 compound II의 모방 화합물을 이용하여, 여러 가지 유기 물질의 C-H 결합에 대한 수소 원자 흡착 반응 및 NADH 유사체를 이용한 수소 음이온 전달 반응에 대한 메커니즘 연구를 수행하였다. C-H 결합 에너지에 따른 반응성 및 동위원소 효과를 통하여 C-H 결합이 해리되는 단계가 속도 결정 단계에 포함되어 있음을 알 수 있었다. 또한 compound II는 알킬 방향족 및 NADH 유사체를 산화시킬 수 있는 충분한 능력을 지닌 산화제이며, 이 때 compound II가 불균등화 반응에 의하여 compound I과 compound 0로 전환된 후 compound I이 반응하는 것이 아니라, compound II가 실제 반응에 참여하는 것임을 입증하였다.;High-valent iron-oxo species are frequently invoked as the key oxidizing intermediates in the catalytic cycles of heme and nonheme iron enzymes. In heme iron enzymes, high-valent iron-oxo species, such as iron(IV)-oxo porphyrin π-cation radicals, referred to as compound I, and iron(IV)-oxo porphyrins, referred to as compound II are proposed as reactive intermediates in dioxygen activation and oxygen atom transfer reactions in the biological system. While reactivities of compound I have been well investigated using synthetic iron porphyrins in various oxidation reactions, compound II has been rarely used as oxidants due to the low oxidizing power in nature. In this study, the hydrogen atom abstraction and hydride transfer reactions by in situ-generated iron(IV)-oxo porphyrins were performed, and the mechanism of the C-H bond activation of alkylaromatics and the hydride transfer of dihydronicotinamide adenine dinucleotide (NADH) analogues by iron(IV)-oxo porphyrin complexes were proposed. Taking account of dependence on C-H bond dissociation energy of various substrates and kinetic isotope effect, we demonstrated that C-H bond dissociation is included in the rate-determining steps of both hydrogen abstraction reaction and hydride transfer reaction. The nature of active oxidant(s), such as an iron(IV)-oxo porphyrin versus an iron(IV)-oxo porphyrin π-cation radical, in the C-H bond activation and hydride transfer reactions is discussed as well.