Tuning the Reactivities of Iron(IV)-Oxo Complex by Axial Ligands in Oxidation Reaction

Abstract

물질 대사시 단핵Nonheme 철 효소가 수행하는 중요한 산화 반응에서 high-valent oxoiron(IV) 중간체가 산화제로 작용한다는 사실은 알려져 왔다. 생체모방시스템에서 이 메커니즘을 규명하려는 연구가 계속되고 있다. 본 논문에서는 PPh3를 이용한 2전자 산화반응, 그리고 alkylaromatic C-H과 phenol의 O-H결합이 수행하는 1전자 산화반응이 iron-oxo부분의 axial 리간드를 치환함에 따라 현저히 다른 반응성을 나타낸다는 것을 밝혀내었다. [Fe^(IV)(TMC)(O)(X)]^(n+) (1-X) [TMC = 1,4,8,11-tetramethyl-1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane; X = NCCH_(3) (1- NCCH_(3)), —NCS (1-NCS), —OOCCF_(3) (1-OOCCF_(3)), —N_(3) (1-N_(3))]는 PPh3의 산화 반응에서 1-1- NCCH_(3) > 1-OOCCF_(3) > 1-N_(3) > 1-NCS 순서의 반응성을 나타내었다. 이것은 iron(IV)-oxo의 전자 밀도에 따라 결정되는데 전자가 풍부한 iron(IV)-oxo일수록 친 전자성 산화 반응에서 낮은 반응성을 나타내었다. 그리고 alkylaromatic C-H 결합과 phenol의 O-H결합의 산화반응에서는 PPh3 산화 반응과 반대되는 1-N3 > 1-OOCCF3 > 1-NCS > 1- NCCH3의 경향성을 보였다. 즉, 전자 밀도가 높은 iron(IV)-oxo종일수록 1 전자 산화 반응에서 높은 반응성을 나타내었다. 또한 이 반응 속도는 C-H와 O-H 결합 해리 에너지와 큰 상관 관계가 있다는 것을 밝혀내었고, alkylaromatics에서 C-H와 C-D 산화 반응이 10 이상의 큰 KIE값을 나타내는 것을 관찰하여C-H와 O-H결합의 산화 반응은 수소 원자를 분리하는 메커니즘을 수행한다는 것을 확인할 수 있었다. 수소 원자 분리 반응에서 전자 주개의 axial 리간드를 가진 iron(IV)-oxo종이 더 큰 반응성을 나타낸다는 결과를 토대로, 전자가 풍부한 axial 리간드가 결합되어 iron-oxo종의 염기도가 증가하면 수소 원자 분리 반응이 더 쉽게 이루어진다는 것을 알았다. 이 결과를 통하여 cytochrome P450와 같은 효소들의 수소 원자 분리 반응에서 axial 리간드가 high-valent iron(IV)-oxo종의 반응성에 미치는 영향을 알 수 있었다.;The reactivities of a mononuclear nonheme iron(IV)-oxo complex bearing different axial ligands, [Fe^(IV)(TMC)(O)(X)]^(n+) (1-X) [TMC = 1,4,8,11-tetramethyl-1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane; X = NCCH_(3) (1- NCCH_(3)), —NCS (1-NCS), —OOCCF_(3) (1-OOCCF_(3)), —N_(3) (1-N_(3))], have been investigated in the oxidation of PPh_(3) (i.e., 2e--oxidation reaction) and alkylaromatic C-H and phenol O-H bonds (i.e., 1e--oxidation reaction). We found that the reactivities were significantly affected by the identity of the axial ligands. In the oxidation of PPh_(3), the [Fe^(IV)(TMC)(O)(X)]^(n+) complexes showed the reactivity order of 1- NCCH_(3) > 1-OOCCF_(3) > 1-N_(3) > 1-NCS. Such a reactivity pattern is rationalized with the electron-richness of the iron(IV)-oxo species in which the more electron-rich iron(IV)-oxo comples is less reactive in electrophilic oxidation reaction. Interestingly, the reactivity order was inverted in the oxidation of alkylaromatic C-H and phenol O-H bonds, showing the reactivity order of 1-N3 > 1-OOCCF3 > 1-NCS > 1- NCCH3. The latter result indicates that the more electron-rich iron(IV)-oxo species shows a greater reactivity in the C-H and O-H bond oxidation. We have also observed a good correlation between the reaction rates and the C-H and O-H bond dissociation energies and high kinetic isotope effect values(i.e., > 10) in the oxidation of C-H and C-D bonds of alkylaromatics, demonstrating that the C-H and O-H bond activation occurs via hydrogen atom abstraction mechanism. The observation of the high reactivity of iron(IV)-oxo species bearing an electron-donating axial ligand in hydrogen atom abstraction reactions is astonishing to us, and we propose that the increased basicity of the iron-oxo group by the electron-rich axial ligand facilitates the hydrogen atom abstraction process. The present results highlight the role of axial ligands in tuning the reactivities of high-valent iron(IV)-oxo intermediates in hydrogen atom abstraction reactions by enzymes such as cytochrome P450.