Mechanistic Studies of Oxygen Atom Transfer Reactions by Cytochrome P-450 Using Metalloporphyrin Models

Abstract

Part I Hydrocarbon의 선택적인 산화반응은 합성화학과 산업과정에서 중요하기 때문에 철 포르피린 착물에 의한 생체 모방 산화 반응은 지난 20년간 많은 관심을 받아왔다. 우리는 전자가 부족한 철 포르피린 착물과 전자가 풍부한 철 포르피린 착물에 의한 cyclohexene의 epoxidation reaction에 있어서 서로 다른 반응 생성물의 형성을 알아보기 위해서 포르피린 링의 meso위치에 있는 페닐 그룹에 서로 다른 치환기를 가지고 있는 철 포르피린을 사용하여 다양한 온도에서 CH₃OH와 CH₂Cl₂ 혼합 용액에서 m-CPBA를 산화제로 하여 cyclohexene의 epoxidation reaction을 시도하였다. 전자가 부족한 철 포르피린과 m-CPBA의 반응은 온도의 영향을 받지 않고 cyclohexene을 cyclohexene oxide로 epoxidation reaction시키는 반응을 선호함을 알 수 있었다. 반면에 Fe(TMP)Cl 같이 전자가 풍부한 철 포르피린은 cyclohexene을 산화시켜서 epoxide와 alcohol의 두가지 반응 생성물을 주며 이는 반응 온도의 영향을 받는다는 것을 알 수 있었다. 그리고 전자가 부족하거나 혹은 풍부한 철 포르피린 착물에 의한 반응에서 epoxidation reaction과 hydroxylation reaction의 서로 다른 선택성은 철 포르피린 착물의 전기적인 성질에 의존하며 두개의 전자가 reduction되는 과정과 한 개의 전자가 reduction되는 과정중에서 어느 과정을 더 선호하는지에 따라서 epoxidation reaction또는 hydroxylation reaction이 선택적으로 일어남을 알 수 있었다. Part II Cytochrome P450와 철 포르피린 모델에 의한 hydrocarbon의 catalytic oxygenation에서 산소 원자 전달에 대한 반응 중간체에 대한 연구는 생무기 화학과 생화학등에서 끊임없는 관심의 대상이 되어왔다. 최근 연구결과에 따르면 철 포르피린 착물의 axial ligand에 의해서 산화반응이 일어날 때 서로 다른 두가지 반응 중간체가 생긴다는 것을 알 수 있다. 본 논문에서는 반응 중간체에서의 철 포르피린 착물의 axial ligand 효과를 조사하기 위해서 철 포르피린 착물의 axial ligand를 바꾸어 가면서 cis-stilbene 과 trans-stilbene 의 경쟁적인 epoxidation reaction 을 시도하였다. 반응 생성물의 수득률의 비가 철 포르피린 착물의 anionic axial ligand 에 의해 영향을 받는다는 것을 알 수 있었다. 그리고 Cl^-나 CH₃CO₂^-같은 axial ligand를 갖는 경우에는 oxidant-iron(III) porphyrin complex가 중간체로 형성되고 axial ligand가 PF_6^-, SbF_6^-, CF₃SO₃^-, ClO₄^- 인 경우는 high-valent iron(IV) oxo porphyrin cation radical 이 중간체로 형성됨을 알 수 있었다. 또 철 포르피린 착물에 5-Cl-1-Melm 이 존재하는 조건에서는 axial ligand에 5-Cl-1-Melm 이 붙게 되어 anionic axial ligand 효과가 사라짐을 알 수 있었는데 이러한 결과를 통해서 철 포르피린 착물의 anionic axial ligand 의 전자를 제공하는 능력에 따라 반응 중간체의 성질이 결정됨을 알 수 있었다. Part III Cytochrome P-450와 철 포르피린 모델에 의한 반응 중간체에 대한 연구는 생무기 화학과 생화학등에서 끊임없는 관심의 대상이 되어왔다. 이러한 연구에서 철에 관한 연구가 가장 많이 이루어졌으나 망간에 관한 연구도 꾸준히 진행되고 있다. 최근에는 Mn(snlen) complex를 이용한 연구가 활발히 진행되고 있는데 Mn(salen)촉매들이 높은 enantioselectivity를 가지면서 epoxidation reaction을 시키는데 아주 효과적인 촉매로 알려져 있다. Mn(snlen) complex와 망간 포르피린의 경우 산소를 제공할 수 있는 중간체로 OxoMn(V) complex가 제안되긴 했지만 정확한 구조가 밝혀지지 않고, manganese(IV) porphyrin complex도 중간체로 제안되고 있다. 본 논문에서는 Mn(TPP)X 와 Mn(salen)X ( X=Cl^- and CF₃SO₃^- )를 m-CPBA와 PhlO를 산화제로 하여 각각 cis-stilbene 과 cyclohexene 을 가지고 epoxidation reaction 을 시도하였다. 그리고 저온에서 직접 Mn(TPP)X ( X=Cl^- and CF₃SO₃^- ) 와 PhlO를 가지고 반응 중간체를 만들어 각각 cis-stilbene 과 cyclohexene 을 가지고 epoxidation reaction 을 시도하였다. 이 때 형성된 중간체는 oxo manganese(IV)종이며 상온에서 Mn(TPP)X 와 Mn(salen)X ( X=Cl^- and CF₃SO₃^- ) 를 m-CPBA 와 PhlO를 산화제로 하여 각각 cis-stilbene 과 cyclohexene 을 가지고 epoxidation reaction 을 시도하였을 경우와 유사한 경향성을 나타내었다. 이러한 결과로 Mn(salen)X ( X=Cl^- and CF₃SO₃^- ) 에서 형성되는 반응 중간체가 oxo(salen)manganese(V) 종이 아니라 oxo(salen)manganese(IV) 종이라는 것을 추정할 수가 있었다.;We have shown here that the reactive intermediates generated in the reactions of electron - deficient iron porphyrins and m-CPBA prefer epoxidation over allylic oxidation in the epoxidation of cyclohexene without showing the dependence of reaction temparature, whereas an oxoiron(IV) porphyrin ligand [i.e., (TMP)^+.Fe^IV=O] epoxidizes cyclohexene to give two products, epoxide as a major product and a good amount of allylic alcohol product. In addition, the product distributions were found to very significantly depending on the reaction temparature in the latter case, as Groves and Gross have reported previously. We suggest that the different selectivity of epoxidation versus hydroxylation by the electron - deficient and electron - rich iron porphyrin complexes might be caused by the preference of two electron reduction process, depending the electronic nature of iron porphyrin complexes. Another project, we have studied the competitive epoxidations of cis- and trans-stilbenes with iron(III) porphyrin complexes containing different anionic ligands and various terminal oxidants. The ratios of cis- to trans-stilbene oxide products formed in the competitive epoxidation reactions were found to depend markedly on the anionic ligands of iron(III) porphyrin catalysts. High ratios of cis- to trans-stilbene oxide were obtained in the reactions where the iron porphyrin catalysts containing ligating anionic ligands such as Cl^- and OAc^- were used as a catalyst, whereas the ratios of cis- to trans-stilbene oxide were low in the reactions of iron porphyrin complexes containing nonligating or weakly ligating anionic ligands such as PF_6^-, SbF_6^-, CF₃SO₃^-, and ClO₄^-. When the anionic ligand was NO₃^-, the product ratios were also found to depend on terminal oxidants and olefin concentrations. These results indicate that the nature of reactive intermediates responsible for oxygen atom transfer in iron(III) porphyrin-catalyzed epoxidation reactions is controlled by the simple anionic ligands. That is, two epoxidizing intermediates such as high-valent iron(IV) oxo porphyrin cation radical and oxidant-iron(III) porphyrin complexes are generated depending on the ligating nature of the anionic ligands. Finally we have shown here that the reactive intermediate in Mn (salen) complex is Mn(IV) oxo species through the similar reaction tendency of Mn(salen) complexes and manganese porphyrin complexes in epoxidation reaction.