New Insights into the Mononuclear Nonheme Iron(III)-Peroxo and Iron(IV)-Oxo Complexes in Enzymatic and Biomimetic Reactions

Abstract

The successful synthesis and comprehensive characterization of iron-oxygen adducts have provided us with a deeper understanding of the reaction mechanisms involved in various oxidations in enzymatic and biomimetic systems. This thesis encompasses overall studies on the synthesis, spectroscopic characterization, and chemical properties of nonheme iron(III)-peroxo complexes bearing N-tetramethylated n-membered cyclam ligands (n-TMC; n = 12, 13, and 14). Here, we uncover the novel electrophilic and cis-dihydroxylation reactivities of the iron(III)-peroxo complexes and find out the effects of the ring size of n-TMC ligands on the physicochemical properties of these complexes. Meanwhile, we have also developed a new method to generate nonheme iron(IV)-oxo species by using singlet oxygen (1O2) and a substrate with a relatively high C–H bond dissociation energy, which serves as a hydrogen atom donor. Chapter I. To extend and deepen our understanding of mononuclear nonheme iron(III)-peroxo intermediates, a synthetic analog, [FeIII(O2)(13-TMC)]+, was prepared and characterized using various spectroscopic techniques; EPR, CSI-Mass, Mössbauer, XAS, and rRaman spectroscopic investigations of [FeIII(O2)(13-TMC)]+ proved that it is a high-spin FeIII species (S = 5/2) with a side-on binding of O2 to the iron center. Density functional theory (DFT) calculations also provide support for the side-bound O2 unit in iron(III)-peroxo species. A notable observation was the unprecedented reaction of rate-determining hydrogen atom abstraction by [FeIII(O2)(13-TMC)]+ in the oxidation of benzaldehyde (PhCHO). This was evidenced by a kinetic isotope effect (KIE) of 2.2 observed in the oxidation of PhCHO/PhCDO and a Hammett plot showing a ρ value of 0.77 for the oxidation reaction of benzaldehyde derivatives. The [FeIII(O2)(13-TMC)]+ complex was also found to have the ability to activate C–H bonds in hydrocarbons and transfer oxygen atoms to sulfides. The observation of the electrophilic reactivity of [FeIII(O2)(13-TMC)]+ indicates that mononuclear nonheme iron-peroxo complexes can serve as potent intermediates for electrophilic oxidation reactions. Chapter II. In both enzymatic and biomimetic reactions, the reactive intermediates and the mechanisms involved in cis-dihydroxylation reactions remain elusive. In this study, a well-characterized mononuclear nonheme iron(III)-peroxo species, [FeIII(O2)(12-TMC)]+, was demonstrated for the first time to undergo reactions with olefins such as styrene and cyclooctene, as well as α-substituted naphthalene. These reactions resulted in the formation of FeIII-cycloadducts, such as [(12-TMC)FeIII(1-phenylethane-1,2-bis(olate))]+ and [(12-TMC)FeIII(cyclooctane-1,2-bis(olate))]+. In contrast, neither [FeIII(O2)(13-TMC)]+ nor [FeIII(O2)(14-TMC)]+ exhibited reactivity towards olefins. Upon the addition of acid, these FeIII-cycloadducts undergo a transformation leading to the formation of the corresponding cis-diol products. The obtained results indicate that [FeIII(O2)(12-TMC)]+ functions as an active oxidant in the cis-dihydroxylation of alkenes.. Chapter III. Based on the current studies regarding the reactivity of [FeIII(O2)(13-TMC)]+ and [FeIII(O2)(12-TMC)]+ complexes, along with the previously reported [FeIII(O2)(14-TMC)]+ complex, it is likely that the ring size of the macrocyclic ligands has a significant impact on the physicochemical properties of FeIII-O2 species. To explore the effect of the macrocyclic N-tetramethylated cyclam ligand on the properties of FeIII-O2 complexes, we conducted an extensive investigation encompassing the spectroscopic and theoretical characterization, as well as reactivity of [FeIII(O2)(n-TMC)]+ (n = 12, 13, and 14) complexes. Regarding the C–H activation of hydrocarbon substrates, specifically xanthene, it was observed that [FeIII(O2)(12-TMC)]+ exhibited the highest reactivity, while [FeIII(O2)(14-TMC)]+ showed sluggish oxidation towards xanthene. The differences in the hydrogen atom transfer (HAT) reactivity among the [FeIII(O2)(n-TMC)]+ complexes, modulated by the supporting ligand, were elucidated using DFT calculations. The results revealed that the smaller ring size of 12-TMC led to lower barriers for hydrogen atom abstraction. Chapter IV. Furthermore, nonheme FeIV-oxo complexes have been generated with various oxidants, including triplet ground state of oxygen (3O2) in the presence of weak hydrocarbon substrates. In this study, we utilize singlet oxygen (1O2), which has higher energy than 3O2 and is generated through photosensitization, to produce a nonheme iron(IV)-oxo complex, [FeIV(O)(14-TMC)]2+. This is achieved by reacting an iron(II) complex ([FeII(14-TMC)]2+) with 1O2 and a hydrogen donor substrate with a relatively large bond dissociation energy, such as methylbenzene. This study has introduced an innovative method that employs 1O2 to generate high-valent metal-oxo complexes. ;철-수퍼옥소, -퍼옥소, -하이드로퍼옥소 및 -옥소 착물의 성공적인 합성과 완벽한 특성 규명은 이러한 효소-촉매 반응의 메커니즘에 대한 더 깊은 통찰력을 얻을 수 있게 하였다. 본 논문에서는, 매크로-고리 형인 n-TMC (n = 12와 13, 14) 리간드들이 결합된 비헴성 철-퍼옥소 착물의 합성, 분광학적 특성 및 반응성 연구를 포괄적으로 다루었으며, 어떻게 n-TMC의 고리 크기가 철-퍼옥소 착물의 물리화학적 특성에 영향을 주는지 밝혔다. 한편 비교적 큰 결합 해리 에너지를 가진 수소 주개 첨가물과 함께 일중 산소(1O2)를 사용하여, 비헴성 철(IV)-옥소 종을 생성하는 새로운 방법을 개발하였다. 단핵 비헴성 철(III)-퍼옥소 중간체의 이해를 깊게하고 확대하기 위해, 서로 유사하지만 리간드의 고리 크기가 다른 두 화합물들인 [FeIII(O2)(13-TMC)]+ 및 [FeIII(O2)(12-TMC)]+를 합성하고 EPR, Mössbauer, XAS, 질량 측정 및 공명 라만 분광법등의 다양한 분광법을 통하여 이들 중간체들의 특성을 규명하였다. 두 중간체 화합물들은 사이드-온(side-on)으로 퍼옥소(O22-)종이 결합된 고-스핀 S = 5/2 철(III) 종임이 입증되었다. 밀도 범함수 이론 (DFT) 계산을 통하여 같은 결과인 사이드-온(side-on)으로 퍼옥소(O22-)종이 결합된 고-스핀 S = 5/2 철(III) 종임을 확인할 수 있었다. [FeIII(O2)(13-TMC)]+에 의한 벤즈알데하이드의 산화 반응에서 처음으로 전례없는 수소 원자 흡착 반응이 속도결정단계라는 흥미로운 결과를 얻을 수 있었다. 벤즈알데하이드-h/d의 산화 반응에서 2.2의 속도론적 동위원소효과(KIE)를 얻었으며, 벤즈알데하이드 유사체들의 산화 반응에서 하멧 플랏(Hammett plot)에서 -0.77의 ρ 값을 얻었다. [FeIII(O2)(13-TMC)]+ 중간체는 탄화수소의 탄소-수소 결합 활성화 (HAT) 및 산소 원자 전달 (OAT) 반응을 수행할 수 있었다. [FeIII(O2)(13-TMC)]+의 예상치 못한 친전자 반응성의 관찰을 통하여 비헴성 철-퍼옥소 종도 친전자 산화 반응을 수행할 수 있는 중간체라는 것을 제안할 수 있었다. 또한, 반응 중간체의 성격과 시스-다이하이드록실화 반응의 메커니즘은 효소적 및 생체 모방 반응에서 미지의 상태로 남아 있다. 놀랍게도, 단핵 비헴성 철(III)-퍼옥소 종인 [FeIII(O2)(12-TMC)]+이 올레핀 (예: 스타이렌과 사이클로옥텐) 및 나이프탈렌 유사체와 반응하여 [(12-TMC)FeIII(1-phenylethane-1,2-bis(olate))]+와 [(12-TMC)FeIII(cyclooctane-1,2-bis(olate))]+와 같은 철(III)-사이클로어덕트 종들을 생성한다는 것을 처음으로 발표했다. 이 철(III)-사이클로어덕트 종들은 산의 첨가에 의해 해당하는 양의 시스-다이올 생성물을 생성하였다. 이 결과는 [FeIII(O2)(12-TMC)]+가 알켄의 시스-다이하이드록실화에서 활성 산화제로서 관여한다는 것을 시사한다. 리간드의 효과는 철-퍼옥소 중간체의 물리화학적 특성에 중요한 역할을 할 수 있다. 본 연구에서는 매크로-고리 형인 N-테트라메틸화된 사이클램 (n-TMC) 리간드가 철(III)-퍼옥소 복합체의 특성에 미치는 영향을 알기 위하여, [FeIII(O2)(n-TMC)]+ (n = 12와 13, 14) 화합물들의 물리화학적 특성 규명 및 반응성 연구를 체계적으로 수행하였다. 잔틴과 같은 탄화 수소 기질의 탄소-수소 활성화 측면에서, [FeIII(O2)(12-TMC)]+는 다른 두 화합물들보다 훨씬 반응성이 높았으며, 반면 [FeIII(O2)(14-TMC)]+는 잔틴을 산화시키는 반응성이 낮은 것을 확인할 수 있었다. 리간드에 따른 [FeIII(O2)(n-TMC)]+의 수소 원자 전달 (OAT) 반응에서 반응성의 차이는 밀도 범함수 이론 (DFT) 계산을 수행하여 설명되었으며, 12-TMC의 작은 링 크기는 낮은 OAT 반응 장벽을 만든다는 것을 보여주었다. 또한 광감응작용을 통해 생성되는 일중 산소(1O2)와 톨루엔과 같은 비교적 큰 결합 해리 에너지를 가진 수소 주개 기질를 함께 사용하여 비헴성 철(IV)-옥소 착물인 [FeIV(O)(14-TMC)]2+를 생성할 수 있었다. 이 연구를 통해 1O2를 사용하여 중요한 중간체인 금속-옥소 종을 생성하는 새로운 방법을 제시하였다.