Mechanistic Insight in C-H Bond Activation and Oxygen Atom Transfer Reactions by Iron(IV)-Oxo Complexes

Abstract

Heme FeIVO 종에 의한 알칸(alkane)의 hydroxylation 반응은 수소원자 흡착 (hydrogen atom abstraction)/산소원자 재결합 (oxygen rebound) 메커니즘을 통해 일어난다. 그동안 non-heme FeIVO 종도 C-H 결합 활성 반응에 있어 heme FeIVO 종과 같은 메커니즘을 따를 것이라고 추정되어 왔다. 본 연구에서는 합성된 nonheme FeIVO 종에 의한 알칸들의 C-H 결합 활성이 재결합 메커니즘이 아닌 또 다른 메커니즘을 따를 수 있다는 증거를 이론적 계산 및 실험적 결과로 제시하였다. 이론적인 계산을 통하여 알칸으로부터 수소원자 흡착을 거쳐 형성된 기질 라디칼이 cage 밖으로 해리(dissociation)되는 경로가 산소원자 재결합 (oxygen rebound) 또는 불포화 (disaturation) 경로들보다 유리하다는 것을 예측할 수 있었다. 이러한 이론적인 예측은 non-heme FeIVO 종에 의한 기질의 C-H 결합 활성 반응에서 형성된 철과 유기생성물의 분석을 통하여 얻은 실험적 결과로 증명할 수 있었다. 이러한 heme과 non-heme FeIVO 종들의 거동의 차이는 구조적 환경 및 exchange-enhanced 반응성의 차이에 기인한다. 따라서 non-heme FeIVO를 포함한 고-산화가 금속-옥소 종에 의한 C-H 결합 활성은 기존의 수소원자 흡착 (hydrogen abstraction)/산소원자 재결합(oxygen rebound) 메커니즘을 통해 일어난다는 일반적인 관념은 주의 깊게 재검토되어야 한다. 일반적으로, heme 철-옥소 종에 의한 C=C 결합의 산소화는 반응조건에 따라 반응 메커니즘이 다르지만 거의 대부분 에폭사이드를 형성한다. 기질로 cyclohexene 과 반응하였을 경우, cyclohexene oxide 가 유일한 생성물이었고, allylic oxidation 의 생성물인 cyclohexeneol 과 cyclohexneone 은 나오지 않았다. 여기서 우리는 heme 과 비교하기 위하여 non-heme 철 4가 옥소, 철 5가 옥소, 망간 4가 옥소에 의한 cyclohexene 과 styrene 의 산화반응을 조사하였다. 철 4가 옥소의 경우, compound I (Cpd I) 과 다르게 non-heme 금속-옥소에 의한 cyclohexene 의 산화반응에서 cyclohexen-3-ol 과 cyclohexen-3-one 이 주 생성물로 얻어졌고, 반면 cyclohexene oxide 는 나오지 않았다. 그러나 styrene 의 산화반응에서 styrene oxide 가 주 생성물로 나왔다. 메커니즘적인 이해로 C-H bond activation 의 형성과 에폭시화 반응의 생성물은 금속-옥소 종과 유기물질에 따라 결정되고 있다고 생각하고 있다.;The hydroxylation of alkanes by heme FeIVO species occurs via the hydrogen abstraction-oxygen rebound mechanism. It has been assumed that nonheme FeIVO species follow the heme FeIVO paradigm in the C-H bond activation reactions. Herein, we report the theoretical and experimental evidence that C-H bond activation of alkanes by synthetic nonheme FeIVO complexes follows an alternative mechanism. Theoretical calculations predict that dissociation of the substrate radical, which is formed past hydrogen abstraction from the alkane, is more favorable than the oxygen rebound or desaturation processes. This theoretical prediction is verified by experimental results that are obtained by analyzing iron and organic products formed in the C-H bond activation of substrates by nonheme FeIVO complexes. The different behavior between heme and nonheme FeIVO species is ascribed to differences in structural preference and exchange enhanced reactivity. Thus, the general consensus that the C-H bond activation by high-valent metal-oxo species, including nonheme FeIVO, occurs via the conventional hydrogen abstraction-oxygen rebound mechanism should be viewed with caution. High-valent metal-oxo intermediates have been frequently invoked as the key oxidants in the catalytic cycle of heme and nonheme enzymes. Especially, iron(IV)-oxo porphyrin π-cation radicals, referred to as compound I (Cpd I), are believed to carry out oxygen atom transfer reactions in the catalytic oxidation of organic substrates by cytochromes P450 and iron porphyrin models. Indeed, it has been demonstrated that in situ-generated Cpd I oxygenate olefins to the corresponding epoxides efficiently and stereoselectively. In the case of cyclohexene, cyclohexene oxide was yielded as a sole product, and the formation of allylic oxidation products such as cyclohexenol and cyclohexenone were not observed. Herein We investigated the oxidation reactions of cyclohexene and styrene by nonheme FeV(O), FeIV(O) and MnIV(O) in order to compare with Cpd I. In the oxidation reactions of cyclohexene by nonheme metal-oxo, cylcohexenol and cyclohexenone were obtained as a major product, but cyclohexane oxide was not observed. However, in the oxidation reactions of styrene, styrene oxide was yielded as a major product in the reaction with styrene. Mechanistic insights into the formation of C-H bond activation versus epoxidation products depending on the metal-oxo intermediates and substrates were discussed as well.