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Mononuclear Non-heme Iron(IV)-Oxo Complex with Tripodal Ligand

Title
Mononuclear Non-heme Iron(IV)-Oxo Complex with Tripodal Ligand
Other Titles
Mononuclear Heme and Non-Heme Iron Complexes in C-H Activation : Hydroxylation vs Desaturation
Authors
김남희
Issue Date
2011
Department/Major
대학원 바이오융합과학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Master
Advisors
남원우
Abstract
Part I. 공기 중의 산소를 활성화하여 유기물질로 산소를 전달하는 산소화 효소 중에서 단핵 non-heme iron 효소로 잘 알려진 TauD 는 공기 중의 산소분자를 활성화하여 타우린의 C-H결합을 활성화하는 촉매 반응 중에서 산소원자 전달 반응에 직접 관여하는 중간체로 알려져 왔다. 이러한 non-heme 효소의 반응성 및 중간체의 구조 그리고 반응 메커니즘을 규명하고자 효소의 활성화 자리를 모방한 모델 철 화합물이 합성 되어져 왔고 그 반응성에 대한 연구가 진행되어 왔다. 또한 반응 중간체인 고-산화 iron(IV)-oxo 중간체에 의한 C-H 결합의 hydroxylation 반응은 생체 내의 분해반응 등에 중요한 효소 반응이므로, 이러한 효소의 생체 촉매 반응의 메커니즘을 이해하기 위한 연구로써 non-heme 철 모델 착물을 이용하여 유기물질의 C-H 결합을 활성화 반응에 대한 연구가 진행되고 있다. 하지만 효소 내에서의 non-heme iron(IV)-oxo 중간체는 trigonal bipyramidal (TBP) geometry 구조로 높은 전자배치 (S = 2) 상태이지만 대부분의 합성된 non-heme iron(IV)-oxo 착물은 낮은 전자배치상태 (S = 1) 임 밝혀졌다. 또한 지금까지 연구된 DFT 계산에서는 높은 전자배치를 갖는 iron(IV)-oxo 중간체가 낮은 전자배치상태 (S = 1) 의 iron(IV)-oxo 중간체보다 큰 반응성을 갖고 있음이 알려졌다. 본 연구에서는 tripodal 구조의 Me3NTB (Tris((N-methyl-benzimidazol-2-yl)methyl)amine)) 를 사용하여 높은 전자배치를 가진 FeII 착물을 합성하였다. 합성된 FeII(Me3NTB)(OTf)2 와 산화제인 m-CPBA을 반응시켜 -40℃ 에서 iron(IV)-oxo 중간체를 생성시켰다. 이 중간체는 UV-Vis 및 다양한 분광학적 기기로 분석되었으며, Mössbauer를 이용한 전자배치상태 분석결과 낮은 전자 배치 (S = 1) 를 가진 iron(IV)-oxo 중간체임이 밝혀졌다. 이 중간체를 C-H 결합 활성화 및 산소전달반응으로 반응성을 확인하고 heme과 non-heme 리간드를 가진 다양한 중간체들과 반응성을 비교한 결과 지금까지 알려진 낮은 전자배치 및 높은 전자배치상태에 있는 non-heme iron(IV)-oxo 및 heme iron(IV)-oxo 중간체 중에서 가장 반응성이 큰 중간체임을 알 수 있었다. 또한 C-H 결합 활성화 반응에서의 정확한 전자배치상태를 확인 하기 위해 수행된 DFT 계산 결과에서는 reactant 상태일 때는 낮은 전자배치상태 (S = 1) 의 octahedral 구조로 있지만 기질과 결합하여 C-H 결합이 활성화되는 전이상태에서는 낮은 에너지의 높은 전자배치상태 ( S = 2) 를 갖는 경로를 통하여 반응이 진행됨을 알 수 있었다. Part II. 금속 착물에 의한 alkane의 C-H결합의 선택적인 반응은 non-heme 또는 heme 리간드를 가진iron(IV)-oxo 중간체가 기질과 결합했을 때 alkane 으로부터 H atom abstraction 일어난 후 Fe-OH/radical 중간체가 rebound되어 alcohol (hydroxylation) 이 얻어지거나 또는second H atom abstraction로 인한 olefin (desaturation) 을 생성하게 됨을 의미한다.1 본 연구에서는 heme과 non-heme iron 착물에 의한 촉매반응을 산화제인 m-CPBA를 사용하여 기질의C-H 결합을 활성화한 산화반응에 관한 연구를 진행하여 선택적인 두 반응에 대한 경향을 연구하고자 한다. 이에catalytic 반응으로 촉매 : 산화제 : 기질 = 1 : 20 : 500의 비율로 진행하였으며, 기질로는 cumene, cyclooctane 과 cyclohexane 을 사용하였다. 그리고catalytic system에서 heme과 non-heme 에서 선택적인 반응물를 비교하고자 heme catalyst 인 Fe(F20)Cl, Fe(TDC)Cl 와 non-heme catalyst인 Fe(Me3NTB)(OTf)2와 Fe(N4Py)(OTf)2 을 사용하였으며, isotope effect를 알아보기 위해 중수소로 치환된 기질을 사용하였다. 그 결과 모든 catalyst에서 hydroxylation 뿐만 아니라 desaturation 반응이 선택적으로 일어남을 알 수 있었고, 중수소로 치환된 기질을 사용했을 때 cyclooctane을 제외한 모든 기질에서 hydroxylation 반응이 더 선택적임을 알 수 있었다. 하지만 중수소로 치환된 cyclooctane-d16 을 기질로 사용했을 경우 모든 catalyst에서 desaturation 반응이 더 선택적이었다. 이러한 결과에 대한 연구가 계속 진행되고 있다.;Part I. In the catalytic cycles of dioxygen activation by the enzymes, high-valent ironoxo(IV) species have been invoked as the key intermediates that effect the oxygenation of organic substrates. The mononuclear non-heme ironoxo(IV) species in model systems have been well-characterized with various spectroscopic techniques and were shown to be active in a variety of oxidation reaction such as alkane hydroxylation, olefin epoxidation and the oxidation to sulfides and other substrates. Subsequently, we recently prepared the Fe(II) complex with a tetradentate tripodal ligand, [Fe(Me3NTB)(CH3CN)](OTf)2 (2), (Me3NTB = tris[(N-methylbenzimidazol-2-yl)methyl]amine, OTf = trifluromethylsulfonate) and determined to be as distorted trigonal-bipyramidal (TBP) geometry by X-ray crystallography. The intermediate was generated by treatment of Fe(II) complex (2) with m-CPBA in CH3CN at -40 °C and extensively characterized with various spectroscopic techniques, including UV-Vis, NMR, EPR, ESI/MS, Mössbauer etc. We then investigated the reactivity of the intermediate with several substrates, such as alcohol oxidation of benzyl alcohol, C-H activation of aliphatic and aromatic alkanes and oxygen atom transfer reaction with PhSCH3 in CH3CN at -40 °C. In addition, we report the C-H bond cleavage reaction of (3) with 1,4-cyclohexadiene over 103-fold faster than other iron(IV)-oxo intermediates, thereby demonstrating the much higher reactivity of high-valent iron(IV)-oxo species. Furthermore, we also reported the energy profile for C-H activation of low-spin or high-spin state (3) with cyclohexane and 1,4-cyclohexadiene by DFT calculation. Part II. Iron is the typical active site element in oxidoreductases and, more specifically relevant for the hydroxylase and desaturase classes of oxidoreductases. This thesis addresses factors that control the mechanistic bifurcation encountered during the reactivity of ironoxo LnFe(IV)=O species of non-heme enzymes and their synthetic models with alkanes. Thus, while the key reaction of LnFe(IV)=O is H abstraction from the alkane, the subsequent step poses an interesting mechanistic dilemma: the Fe-OH/radical species may either undergo rebound to yield an alcohol complex or produce an olefin by a second H abstraction (or successive electron transfer followed by carbocation deprotonation). what is then the root cause of the switch between the two pathways? Therfore, we describe competitive C-H bond activation chemistry of two types, hydroxylase (alcohol formation) and desaturase (olefin formation) activities during alkane oxidation by two non-heme (Fe(Me3NTB)(OTf)2, Fe(N4Py)(OTf)2) and two heme (Fe(F20)Cl, Fe(TDC)Cl) high-valent ironoxo complexes toward cumene, cycloocatne, cyclohexane. In conclusion, we state that although substrate/radical binding in the enzyme could certainly be important. in general the switch between hydroxylase and desaturase activity is strongly influenced by intrinsic factors. Some of these factors depend on the substrate, such as its C-H bond strength and ironoxo reagent. Thus, our study shows that desaturated products are present as well as hydroxylated products with all catalysts. And upon deuterization, except for cyclooctane, the hydroxylation reaction was preferred as expected. Therfore, further studies are needed to be explained in case of the cyclooctane case.
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