Iron porphyrin complexes as biomimetic models for heme-containing enzymes

Abstract

Catalytic hydroxylation of alkanes by H_2O_2 in the presence of an electronegatively-substituted iron porphyrin complex, Fe(TF_4TMAP)^5+, yielded the corresponding alcohols as a major product with high alcohol to ketone ratios. The alkane hydroxylations were highly stereospecific and the kinetic deuterium isotope effect (KDIE) for cyclohexanol formation was 3.7. By performing cyclohexane hydroxylation with labeled H_2^18O_2 in air, we found that the source of the oxygen incorporated into cyclohexanol was the oxidant H_2^18O_2, not molecular oxygen. These results clearly indicate that the hydroxylation reactions occur via non-radical type (enzyme mimetic) of oxidation reactions. We also found, for the first time, that a high-valent iron(IV) oxo porphyrin cation radical complex [(TF_4TMAP)^+.Fe^Ⅳ=O], prepared in situ by reacting Fe(TF_4TMAP)^5+ with m-chloroperoxybenzoic acid (MCPBA) at -40 ℃, is able to hydroxylate alkanes efficiently even at low temperaute. The hydroxylations afforded high alcohol to ketone ratios with complete stereoretention. The KIE value for the cyclohexanol formation by the high-valent iron oxo complex was determined to be 6.6 at -40 ℃. In order to determine the nature of the reactive intermediate responsible for the hydroxylation of alkanes by Fe(TF_4TMAP)^5+ and H_2O_2, we compared reactivity patterns of the high-valent iron oxo intermediate to those of the catalytic alkane hydroxylations by H_2O_2. For comparison, alkane hydroxylations by Fe(TF_4TMAP)^5+ and MCPBA were also studied at -40 ℃ and 25 ℃. The results that we obtained from (1) labeled H_2^18O experiments and (2) reactivity studies such as KIEs and competitive hydroxylation reactions lead us to conclude that the hydroxylating intermediate generated in the reaction of Fe(TF_4TMAP)^5+ and H_2O_2 is the high-valent iron(IV) oxo porphyrin cation radical complex [(TF_4TMAP)^+.Fe^IV=O]. High-valent iron(IV) oxo porphyrin cation radical complexes containing a series of substituents at the meso-position of the porphyrin ring were prepared and used in oxygen atom transfer reactions, in order to elucidate the electronic effect of porphyrin ligands on the reactivities of iron porphyrin complexes. The reactions that we studied with the in situ generated high-valent iron oxo porphyrins were (1) the relative reactivities of the intermediates toward oxygen atom transfer and ROOH disproportionation, (2) the mechanism of heterolytic vs. homolytic O-O bond cleavage of hydroperoxides, (3) the dependence of oxidizing power of the intermediates on the electronic nature of porphyrin ligands, and (4) the relative rates between oxygen atom transfer and oxygen exchange with labeled H_2^18O. We found from these reactivity studies (1) that a high-valent iron oxo porphyrin complex containing electron-donating substituents reacts fast with ROOH in a competitive reaction performed with a mixture of olefin and ROOH, whereas a high-valent iron oxo porphyrin containing electron-withdrawing substituents transfers its oxygen atom to olefin to give epoxide product in a fast rate, (2) that the O-O bond of hydroperoxides is homolytically cleaved by iron porphyrin complexes in aprotic solvent, (3) that a high-valent iron oxo complex of electron-deficient porphyrin ligand is a more powerful oxidizing species in alkane hydroxylation reaction, and (4) that the presence of electron-donating substituents on a porphyrin ligand gives a relatively high ^18O-incorporation from labeled H_2^18O into an oxygenated product when a mixture of olefin and H_2^18O is added to a reaction solution containing a high-valent iron oxo intermediate. These results clearly demonstrate that the electronic nature of iron porphyrin complexes is an important factor to determine the reactivities of iron porphyrin complexes in oxygen atom transfer reactions. ; PART I. 전기음성도가 큰 작용기로 치환된 철 포르피린 착물인 (meso-tetrakis(2,3,5,6-tetrafluoro-N,N,N-trimethyl-4-aniliniumyl)porphyrinato)iron(III) [Fe(TF_4TMAP)^5+]의 존재하에서 hydrogen peroxide에 의한 알케인의 촉매적 하이드록시화 반응은 극소량의 케톤과 상대적으로 많은 양의 알코올을 주 생성물로 준다. 알케인의 하이드록시화 반응은 입체적 특이성을 가지며 cyclohexanol 생성에 대한 kinetic isotope effect (KIE)는 3.7로 밝혀졌다. 공기 중에서 표지된 H_2^18O_2를 산화제로 사용한 cyclohexane 하이드록시화 반응을 분석한 결과 cyclohexanol에 들어간 산소의 근원은 공기중의 산소 분자가 아니라 산화제로 사용한 H_2^18O_2임을 발견하였다. 이러한 결과들은 하이드록시화 반응이 라디칼과 무관한 산화적 반응임을 명백히 보여 준다. 저온 (-40℃)에서 Fe(TF_4TMAP)^5+와 m-chloroperoxybenzoic acid (MCPBA)를 반응시켜서 바로 생성된 high-valent iron(IV) oxo porphyrin cation radical complex [(TF_4TMAP)^+.Fe^IV=O)]가 저온에서도 알케인을 하이드록시화시킬 수 있음을 또한 발견하였다. 저온에서 고산화가 철(IV) 옥소 포르피린 양이온 라디칼 착물에 의한 cyclohexanol 생성의 KIE 값은 6.6이었다. Fe(TF_4TMAP)^5+와 hydrogen peroxide에 의한 알케인의 하이드록시화 반응의 중간체를 결정하기 위해 고산화가 철 옥소 중간체와 hydrogen peroxide에 의한 알케인의 촉매적 하이드록시화 반응의 반응성 경향을 비교하였다. 또한 Fe(TF_4TMAP)^5+와 MCPBA에 의한 알케인 하이드록시화 반응을 -40℃와 25℃에서도 실시하여 비교하였다. KIEs와 경쟁적 하이드록시화 반응 등의 반응성 연구와 표지된 H_2^18O 실험을 통해서 Fe(TF_4TMAP)^5+와 H_2O_2의 반응에서 형성되는 하이드록시화 반응성 중간체는 고산화가 철(IV) 옥소 포르피린 양이온 라디칼 착물, [(TF_4TMAP)^+.Fe^IV=O)]임을 결정하였다.

PART II. 철 포르피린 착물의 반응에서, 포르피린 ligand들의 전자적 효과를 설명하기 위해 포르피린 고리의 메조 위치에 일련의 치환체 (phenyl 그룹에 결합되어 있는 전자 주개와 전자 끌개의 치환체)를 포함하고 있는 high-valent iron(IV) oxo porphyrin cation radical complex들을 직접적으로 형성시켜 산소 원자 전달 반응에 사용하였다. 고산화가 철 옥소 포르피린을 직접적으로 만들어 (1) 중간체로부터의 산소 원자 전달에 대한 상대적 반응성과 ROOH (ROOH=hydrogen peroxide와 tert-butyl hyroperoxide)의 분해 반응, (2) hydroperoxide의 O-O 결합이 불균일 대 균일하게 끊어짐에 대한 메카니즘, (3) 포르피린 리간드들의 전자적 성질에 의한 중간체들의 산화력 정도, 그리고 (4) 산소 원자 전달과 표지된 H_2^18O으로부터 산소 원자를 치환하는데 있어 상대적 속도에 관한 반응들을 연구하였다. 이러한 반응성에 연구로 다음과 같은 결과를 알 수 있었다. (1) 전자 주개 치환체를 포함하고 있는 고산화가 철 옥소 포르피린은 올레핀과 ROOH 혼합물의 경쟁 반응에서 ROOH와 더 빠르게 반응하는 반면에 전자 끌개 치환체를 포함하고 있는 고산화가 철 옥소 포르피린은 에폭사이드를 생성하기 위해 산소 원자를 올레핀에 대하여 빠른 속도로 전달한다. (2) Aprotic 용매에서 hydroperoxide의 O-O 결합은 균등하게 끊어진다. (3) 전자가 부족한 포르피린 리간드를 지닌 고산화가 철 옥소 착물이 전자가 풍부한 포르피린 고산화가 철 옥소 착물보다 더욱더 강력한 산화종이다. (4) 고산화가 옥소 중간체를 포함하고 있는 반응 용액에 올레핀과 H_2^18O 혼합물을 첨가했을 때 전자 주개 치환체를 가진 포르피린 리간드는 H_2^18O으로부터 산화된 생성물에 상대적으로 높은 양의 ^18O이 들어가는 반면에 전자 끌개 치환체를 가지고 있는 철 포르피린 착물은 극소량의 ^18O이 들어간다. 이러한 결과들은 산소 원자 전달 반응에서 철 포르피린 착물의 반응성을 결정하는데 철 포르피린 착물의 전자적 성질이 매우 중요한 인자임을 보여 주고 있다.