Comparative Reactivity and Mechanistic Insight into the Oxidation Reaction by Mononuclear Nonheme Iron-Oxygen Complexes

Abstract

Mononuclear nonheme iron-oxygen species, such as iron(IV)-oxo, iron(III)-superoxo, iron(III)-peroxo, and iron(III)-hydroperoxo complexes, have been invoked as the key intermediates responsible for the oxidation of organic substrates in nonheme iron enzymatic reactions. In this thesis, we have performed three different subjects: (i) Effect of spin state of nonheme iron(IV)-oxo intermediates (high-spin versus intermediate-spin) on their reactivity. (ii) Effect of the Lewis acidity of the redox-inactive metal ions bound to the mononuclear nonheme iron(III)-peroxo complex on their reactivity. (iii) Reaction pathway between hydrogen atom transfer versus nucleophilic addition in the oxidation of aldehyde derivatives by a nonheme iron(III)-hydroperoxo complex. Firstly, we found that the C–H bond activation of hydrocarbons by a synthetic mononuclear nonheme high-spin (HS; S = 2) iron(IV)-oxo complex takes place via an oxygen non-rebound mechanism, as reported recently in the C–H bond activation by nonheme intermediate (IS; S = 1) iron(IV)-oxo complexes. We also demonstrate that the nonheme HS and IS iron(IV)-oxo complexes prefer the C–H bond activation to the C=C double bond epoxidation in the oxidation of cyclohexene, whereas the C=C double bond epoxidation becomes a preferred pathway in the oxidation of deuterated cyclohexene by the nonheme HS and IS iron(IV)-oxo complexes. Secondly, we have shown that the logarithm of the rate constants of electron transfer and C–H bond activation reactions by nonheme ion(III)-peroxo complexes binding redox-inactive metal ions, [(TMC)FeIII(O2)]+–Mn+ (Mn+ = Sc3+, Y3+, Lu3+, and La3+), increases linearly with the increase in the Lewis acidity of the redox-inactive metal ions (ΔE), which is determined from the gzz values of EPR spectra of O2•––Mn+ complexes. In contrast, the logarithm of the rate constants of the [(TMC)FeIII(O2)]+–Mn+ complexes in nucleophilic reactions with aldehydes decreases linearly as the ΔE value increases. Thus, the Lewis acidity of the redox-inactive metal ions bound to the mononuclear nonheme iron(III)-peroxo complex modulates the reactivity of the [(TMC)FeIII(O2)]+–Mn+ complexes in electron-transfer, electrophilic, and nucleophilic reactions. Finally, We have shown that deformylation reaction of 2-phenylpropionaldehyde (2-PPA) with a non-heme iron(III)-hydroperoxo complex proceeds via a hydrogen atom transfer (HAT) pathway at low temperatures (213-233 K) where a significant tunneling occurs to exhibit no temperature dependence. In this sharp contrast, a nucleophilic addition (NA) pathway becomes dominant over an HAT pathway at higher temperature (243-253 K), exhibiting significant temperature dependence. Evidence of switchover of the reaction pathway from NA to HAT by decreasing temperature comes from deuterium kinetic isotope effects (KIEs), intermediate radical traps and 18O labeling experiments at different temperatures.;본 연구에서는 nonheme iron-oxygen 중간체에 의한 산화 반응에서 반응성 및 반응 메커니즘에 대해 설명하고 있다. 3가지 주제를 가지고 연구를 진행하였는데 1) nonheme iron(IV)-oxo 중간체의 스핀상태에 따른 산화 반응에서의 반응성, 2) 루이스 산성을 가지는 레독스 비활성 금속 이온이 결합 된 nonheme iron(III)-peroxo 중간체를 이용한 전자 이동과 산화반응에서의 반응성 3) nonheme iron(III)-hydroperoxo 착화합물을 이용한 알데하이드 기질의 산화반응에서의 반응 경로 대해서 확인 하였다. 첫번째로는 합성한 고스핀 (HS; S = 2) nonheme iron(IV)-oxo의 경우 탄화수소 유기물질의 탄소–수소 결합 활성반응이 중간 스핀 (IS; S = 1) nonheme iron(IV)-oxo 와 마찬가지로 산소 비재결합 (oxygen non-rebound) 메커니즘 따르는 것을 발견하였다. 또한 nonheme HS 와 IS iron(IV)-oxo 착화합물 모두 시클로헥센 산화반응에서 탄소–탄소 이중 결합 엑폭시화 반응이 아닌 탄소–수소 결합 활성반응을 선호하는 것을 확인 했다. 두번째 주제로전자 이동, 친전자성 반응 그리고 친핵성 반응에서 루이스 산성를 가지는 다양한 레독스 비활성 금속 이온이 결합된 nonheme iron(III)-peroxo 중간체 [(TMC)FeIII(O2)]+–Mn+ (Mn+ = Sc3+, Y3+, Lu3+, and La3+)의 반응성에 대해서 확인 하였다. 레독스 비활성 금속 이온의 루이스 산도이 강할 수록 전자 이동 그리고 친전자성 반응은 증가한다. 이를O2•––Mn+ 의 EPR 스펙트럼의 gzz 값으로 확인 하였다. 이와 대조적으로 친핵성 반응의 경우 루이스 산도가 높을수록 반응 속도는 감소하게 된다. 이를 통해 전자 이동, 친전자체 반응 그리고 친핵체 반응에서 레독스 비활성 금속 이온의 루이스 산도에 따라 반응성이 조절 될 수있다는 것을 밝혔다. 마지막으로 nonheme iron(III)-hydroperoxo 착화합물과2-phenylpropionaldehyde (2-PPA)를 이용한deformylation 반응은 낮은 온도 (213–233 K)에서 수소 원소 이동(hydrogen atom transfer; HAT) 경로를 따르고 이 때의 온도 의존성을 벗어나는 터널 현상을 동반 하는 것을 발견하였다. 이와 대조적으로 높은 온도 (243–253 K)에서는 반응 온도 의존성과 함께 친핵성 첨가 (nucleophilic addition; NA) 경로가 우세하다는 것을 확인 했다. 반응 온도가 낮아 질수록 반응경로가 NA에서 HAT로 변화되는 증거로 온도에 따른 반응 속도론적 동위원소 효과 (KIE), 중간체 라디칼 트랩 실험 그리고 18O를 이용한 실험을 통해 보여 주었다.