Catalytic epoxidation reactions by metal complexes in aqueous solution

Abstract

본 연구에서는 여러 가지 금속 착물을 촉매로 하여 여러 종류의 산화제 -H_(2)O_(2), f-BuOOH, KHSO_(5), MCPBA, PhIO-를 사용한 유기 물질의 산화 반응을 행하였고, 이러한 반응에서 반응 중간체의 구조와 산소 전달 반응의 메카니즘에 대해 연구하였다. 코발트로 치환된 polyoxotungstate [(CoPW_(11)O_(39))^(5-)]를 올레핀의 에폭시화 반응과 알켄의 히드록시기 반응의 촉매로 사용하였다. CH_(3)CN 용매에서 PhIO를 산화제로 사용하여 올레핀을 에폭시화 반응을 시키면 주로 epoxide가 생성되고 allylic 산화물은 거의 생성되지 않는다. cis-Stilbene은 입체특이성 (stereoselectivity)을 유지하면서 cis-stilbene oxide로 산화되고 소량의 trans-stilbene oxide와 benzaldehyde가 생성된다. 수용액에서 carbamazepin(CBZ)을 KHSO_(5)과 반응시키면 CBZ-10,11-oxide로 전환된다. CBZ 에폭시화 반응에서 다른 전이금속 (M=Mn^(2+), Fe^(2+), Ni^(2+), Cu^(2+))으로 치환된 polyoxotungstate는 CBZ를 산화시키지 못한다. 코발트로 치환된 polyoxotungstate는 알칸과 MCPBA (m-chloroperbenzoic acid)의 산화반응에서도 촉매로 사용되었다. 이 반응에서 알칸은 알코올과 케톤으로 산화가 되었다. Cyclohexane의 히드록시기 반응에서 CH_(2)Br_(2)는 bromocyclohexane이 생성되게 한다. 이것은 cyclohexane 라디칼이 존재한다는 것을 입증하는 실험이다. H_(2)^(18)O존재 하에서 cyclohexane과 MCPBA의 히드록시기 반응을 시켰을 때 생성물인 cyclohexanol에 ^(18)O가 포함되어있는 생성물은 존재하지 않았다. 그리고 마지막으로 메커니즘도 살펴보았다. 이 논문에서는 H_(2)O_(2), t-BuOOH, KHSO_(5), MCPBA와 같은 여러 가지 산화제와 여러 가지 수용성 금속-포르피린을 사용하여 수용액에서의 금속 포르피린의 반응성과 반응 메커니즘 및 그 중간체를 찾고자 하였다. H_(2)O_(2)와 t-BuOOH를 주산화제로 사용하고, MCPBA와 KHSO_(5)을 비교산화제로 사용하여 CBZ의 에폭시화 반응을 완충용액에서 진행시켰다. 이 반응에서 CBZ는 CBZ-10,11-oxide로 전환되었다. H_(2)O_(2), t-BuOOH의 반응에서 형성되는 에폭시화 반응을 가능하게 하는 반응 중간체를 알아보기 위해서 다음과 같은 실험을 하였다. : (1) cis-stilbene의 에폭시화 반응에서 입체 선택성, (2) cit-stilbene과 CBZ간의 분자간 경쟁반응, (3) 동위원소 물, H_(2)^(18)O, 실험. 이 실험에서 얻어진 반응 경향성을 비교하기 위해서 KHSO_(5)와 MCPBA를 산화제로 사용하여 같은 실험을 진행하였다. 철-포르피린과 KHSO_(5), MCPBA의 반응에서 생성되는 반응 중간체는 고 산화가 철(IV) 옥소 포르피린 양이온 라디칼 종이라는 것이 이미 알려져 있기 때문에 KHSO_(5), MCPBA와 H_(2)O_(2), t-BuOOH 반응 경향성을 비교하여 반응 중간체를 추정할 수 있다. cir-Stilbene 에폭시화 반응의 결과로부터 에폭시화 반응을 진행시킬 수 있는 가능한 중간체 중 peroxyl radicals(ROO·)과 (porp)Fe^(IV)=O는 아님을 알 수 있다. cis-Stilbene과 CBZ의 분자간 경쟁반응에서 실험 오차 범위 내에서 cis-stilbene oxide와 CBZ-10,11-oxide의 생성비가 일정하게 나타났다. 이 결과로부터 t-BUOOH, H_(2)O_(2), KHSO_(5), MCPBA의 반응에서 올레핀을 에폭시화 반응을 시키는 반응 중간체는 동일한 종이라는 것을 추정할 수 있다. 동위원소 물, H_(2)^(18)O, 실험에서, pH를 조절한 H_(2)^(18)O 용액에서 t-BuOOH, H_(2)O_(2)와 KHSO_(5)과 같은 산화제를 사용하여 CBZ의 에폭시화 반응을 수행한 결과 H_(2)O_(2), t-BuOOH와 KHSO_(5)에 의한 에폭시화 반응으로 생성된 CBZ-10,11-oxide 중 ^(18)O를 포함한 oxide가 발견되었다. 이런 결과를 통해서 수용액에서 수용성인 철-포르피린과 t-BuOOH, H_(2)O_(2)의 반응으로 생성되는 반응 중간체는 고 산화가 철(IV) 옥소 포르피린 양이온 라디칼이라는 것을 알 수 있다. 이 시스템에서 CBZ-10,11-oxide는 완충용액의 pH에 따라서 생성량이 달라지고, 산화제의 종류에 따라서 CBZ가 CBZ-10,11-oxide로 전환되는 pH 영역이 달라진다. t-BuOOH와 H_(2)O_(2)반응에서 생성되는 고 산화가 철(V) 옥소 포르피린 반응 중간체는 반응 용액의 산도에 의해 영향을 받는다. 그래서 우리는 반응 용액의 pH가 달라지면 다른 반응 중간체가 생성된다고 제안한다. 낮은 pH에서는 산소-산소 결합이 불균일 하게 끊어져 고 산화가 철(V) 옥소 포르피린이 생성되고, 높은 pH에서는 균일 분리가 일어나 옥소철(IV) 포르피린이 생성된다. 고 산화가 철(V) 옥소 포르피린이 될 수 있는 가능한 메카니즘은 세 가지로 분류할 수 있다. : (1) general-acid catalysis, (2) stepwise two le^(-) transfer mechanism, (3) the effect of fifth ligand bound to iron. 이런 가능한 메카니즘 중 (3)에 의해서 반응 용액의 pH에 따라서 산소-산소 결합의 균일 분리나 불균일 분리가 변하기 때문에 oxide 생성량이 달라진다. 철 포르피린 착물과 마찬가지로 수용성 망간 포르피린 착물을 촉매로 하여 올레핀의 에폭시화 반응을 진행하였다. 망간 포르피린을 촉매로 사용하였을 때, 역시 반응 용액의 pH에 따라서 oxide의 생성량이 달라졌고, cis-stilbene 에폭시화 반응과 동위원소 물, H_(2)^(18)O, 실험을 통해서 반응 중간체는 고 산화가 철(IV) 옥소 포르피린 양이온 라디칼이라는 것을 알 수 있었다. 그러나 철 포르피린 착물과는 다르게 반응용액의 pH가 높아질수록 반응성이 좋았다. 아직까지는 이런 경향성의 차이를 설명할 수 없고, 앞으로 더 많은 연구가 진행 되어야 한다.;Catalytic oxygenations of substrates by various metal complexes with several oxidants, i. e, hydrogen peroxide (H_(2)O_(2)), tert-butyl hydroperoixde (t-BuOOH), potassium monopersulfate, m-chloroperbenzoic acid (MCPBA), and iodosylbenzene (PhIO), have been studied in order to understand the nature of the reactive intermediates responsible for oxygen atom transfer. The cobalt-substituted polyoxotungstate [(CoPW_(11)O^(39))^(5-)] has been used as a catalyst in olefin epoxidation and alkane hydroxylation reaction. The epoxidation of olefins by PhIO in CH_(3)CN yielded epoxides predominantly with trace amounts of allylic oxidation products. cis-Stilbene was stereoselectively oxidized to cis-stilbene oxide with small amount of trans-stilbene oxide and benzaldehyde formation. The epoxidation of carbamazepin (CBZ) by KHSO_(5) in aqueous solution gave the corresponding CBZ-10,11-oxide product. Other transition metal-substituted polyoxotun-gstate (M = Mn^(2+), Fe^(2+), Ni^(2+) and Cu^(2+)) were inactive in CBZ epoxidation reaction. The cobalt-substituted polyoxotungstate also catalyzed the oxidation of alkanes with MCPBA to give the corresponding alcohols and ketones. The presence of CH_(2)Br_(2) in the hydroxylation afforded the formation of bromocyclohaxane, suggesting the participation of cyclohexyl radical. In the ^(18)O-labeled water experiment, there was no incorporation of ^(18)O into the cyclohexanol product when the hydroxylation of cyclohaxane by MCPBA was carried out in the presence of H_(2)^(18)O. In recent years, use of hydrogen peroxide and alkyl hydroperoxides in the catalytic oxygenations of substrates by iron porphyrins has been drawn particular attention. Although elegant kinetic and mechanistic studies of O-O bond cleavage of hydroperoxides by iron porphyrins has been reported by Bruice et al., the epoxidation of olefins by water-soluble iron porphyrin complexes with H_(2)O_(2) and t-BuOOH has not been successful in aqueous solution. We now report the first success of olefin epoxidation by water-soluble iron porphyrin complexes with the oxidants (H_(2)O_(2) and t-BuOOH) in buffered aqueous solutions. The catalytic epoxidation of CBZ by H_(2)O_(2) and t-BuOOH was performed in the presence of various water-soluble iron porphyrin complexes (i. e(meso-5,10,15,20,-tetrakis(2,6- difluoro-3-sulfonatophenyl)porphynato)iron(Ⅲ) trisodium salt [Fe(TDCPPS)], and so on) in aqueous solution. The CBZ epoxidation by other oxidants such as MCPBA and KHSO_(5) was carried out for comparison. The conversion of the substrate was above 95 % at relatively low pH values, and the resulting product was identified to be CBZ-10,11-oxide in all of the reactions. In order to understand the nature of the epoxidizing species formed in the reactions of H_(2)O_(2) and t-BuOOH, we studied following reactions: (1) stereoslectivity in cis-stilbene epoxidation, (2) intermolecular competitive epoxidation reaction between cis-stilbene and CBZ, and (3) isotopically labled water, H_(2)^(18)O, experiments. We then compared these results with those obtained with the oxidants such as MCPBA and KHSO_(5), since it has been shown previously that high-valent iron(Ⅳ) oxo porphyrin cation radical species is generated in these reactions. In cis-stilbene epoxidation, cis-stilbene was completely oxidized to cis-stilbene oxide with only a trace amount of trans-stilbene oxide formation in all of the reactions. In intermolecular competitive epoxidation reaction between cis-stilbene and CBZ, we found that cis-stilbene was more reactive than CBZ and that the ratio of cis-stilbene oxide to CBZ-10,11-oxide products was identical within the experimental error in all of the reactions of H_(2)O_(2), t-BuOOH, MCPBA, and KHSO_(5), suggesting that a common intermediate might govern the olefin epoxidation. More significantly, a conclusive evidence for the involvement of high-valent iron(Ⅴ) oxo intermediate in the olefin epoxidation was obtained in labeled water experiments. When the CBZ epoxidation by H_(2)O_(2), t-BuOOH and KHSO_(5), was carried out in H_(2)^(18)O solution, high percentages of ^(18)O were found to be incorporated in the epoxide product. All the results discussed above strongly indicate that high-valent iron(Ⅴ) oxo porphyrin complex was formed as an epoxidizing intermediate in the reactions of H_(2)O_(2) and t-BuOOH with water-soluble iron porphyrin complexes in aqueous solution. It is of interesting to observe that the yields of the oxide product formed in the epoxidation reactions depend significantly on the pH of the reaction solutions and that the pH ranges for giving the oxide product vary with the kinds of oxidants used. These results indicate that the generation of high-valent iron(Ⅴ) oxo intermediate is affected by the acidity of the reaction solutions. Three possible mechanisms that may be consistent with this pH effect are (a) general-acid catalysis, (b) a facile le^(-) oxidation of (porp)Fe(Ⅳ)-OH by RO·"in the cage" at low pHs, and (c) the effect of the nature of the axial ligand bound to metal center (i. e.(porp)Fe(Ⅲ)(Ⅹ)_(2), where X represents either H_(2)O or HO^(-) depending on the pH of the solution) on the heterolysis vs. homolysis O-O bond cleavage. We propose that the effect of the nature of the axial ligand bound to metal center is the most possible mechanism by the Uv/vis spectra, EPR spectra, and isotopically fabled water, H_(2)^(18)O, experiments with KHSO_(5) in the various pH reaction solution, and the importance of pH of the reaction solutions is attributed to the formation of different intermediates at different pH values. Olefins were also epoxidized by water-soluble manganese(Ⅲ) porphyrin complexes with various oxidants, and the oxide products are affected by the pH of the reaction solution. However, the reactivity patterns are different from those of iron porphyrin complexes. We do not understand the phenomena at this moment, and the detailed mechanistic studies are under investigation at this moment.