Reactivity Comparison of Mononuclear Nonheme Iron(IV)-Oxo Complexes in Oxidation Reactions

Abstract

[Part 1] 산소화 효소 중에서 단핵(mononuclear) 비포르피린(nonheme) 철효소 중의 하나인TauD는 공기 중의 산소분자를 활성화하며 타우린의 C-H결합에서의 촉매 반응 중 산소원자 전달 반응에 직접 관여하는 중간체로 알려져있다.1 비포르피린 효소의 반응성 및 중간체의 구조 그리고 반응 메커니즘을 규명하고자, 효소의 활성화 자리를 모방한 여러 가지 모델 화합물의 합성 및 화학 반응성에 대한 연구가 진행되어 왔다. 또한 반응 중간체인 고-산화 iron(IV)-oxo 중간체에 의한 C-H 결합의 hydroxylation 반응이 생체 내의 분해반응에 관여하는 중요한 효소 반응으로 비포르피린 철 모델 착물을 이용한 유기물질의 C-H 결합 활성화 반응에 대한 연구가 이루어지기도 했다.2,3 하지만 효소 내에서의 비포르피린iron(IV)-oxo 중간체는 trigonal bipyramidal (TBP) geometry 구조로 높은 전자배치 (S = 2) 상태이지만 대부분의 합성된 비포르피린 iron(IV)-oxo 착물은 낮은 전자배치상태 (S = 1) 임이 밝혀졌다.2 또한 지금까지 연구된 DFT 계산을 통해 높은 전자배치를 갖는 iron(IV)-oxo 중간체가 낮은 전자배치상태 (S = 1) 의 iron(IV)-oxo 중간체보다 큰 반응성을 보인다고 제안되었다.4 그러나 최근 낮은 전자 배치 (S = 1) 를 가진 iron(IV)-oxo 중간체로 Me3NTB (Tris((N-methyl-benzimidazol-2-yl)methyl)amine)) 리간드를 사용하여 생성된 [FeIV(O)(Me3NTB)]2+ 가 높은 전자배치를 비롯하여 낮은 전자배치를 갖는 iron(IV)-oxo 종들 보다 반응성이 크다는 연구결과가 발표되었다.5 본 연구에서는 tripodal 구조를 가지는 네 가지 배위자를 이용하여 높은 전자배치를 가진 철(II)착물을 준비하였다. Me3NTB 및 TPA(tris(2-pyridylmethyl)amine)와 더불어 두 배위자의 중간형 구조를 가지는 배위자 2가지를 고안하여 합성한 L2 (N-(2-pyridylmethyl)-N,N-bis((N- methyl-benzimidazol-2-yl)methyl)amine), L1 (1-(N-methyl-benzimidazol-2-yl)-N,N-bis(2-pyridylmethyl)methylamine)를 연구에 사용하였다. 합성된 철(II)착물을 CH3CN 용매조건에서 산화제와 반응시켜 -40℃에서 iron(IV)-oxo 중간체를 생성시켰다. 이 네 종류 중간체의 C-H bond activation 반응, oxygen-atom transfer 반응을 관찰하였다. 그리고 ferrocene 계열의 여러 기질을 사용하여 electron-transfer 반응을 연구하였다. 실험결과, Tripodal 구조의 4자리수 배위자가 어떤 화학적 기능기로 치환되어 있느냐에 따라 생성된 중간체의 반응성은 다르게 나타나는 것을 알 수 있었다. Me3NTB의 구조에 배위자가 가까울수록 (L1, L2 순으로 Me3NTB 구조에 가까워 진다) 큰 반응성을 가지며 TPA의 구조에 가까울수록 (L2, L1 순으로 TPA 구조에 가까워진다) k2값이 작아졌다. 이러한 결과를 통해 철금속에 배위하는 배위자의 구조가 나중에 생성되는 중간체의 안정성과 반응성에서 영향을 준다 것을 알 수 있었다. [Part 2] 철(IV)-옥소 화합물은 최근 생물합성 분자효소에서 산소 원자를 포함하는 효소 반응의 활성산소로 있거나 생물학적인 산화 반응에서 해로운 반응과 효소의 해독 반응에 적용되고 있다.1-6 이 중간체는 기질의 C-H 결합을 활성화시켜 hydroxylation, desaturation, 또는 halogenation된 결과물을 생성시킨다.7 이러한 철(IV)-옥소 화합물의 반응에서 실험적으로 측정된 반응 속도 상수, k2, 는 이론적으로 계산된 rate-limiting free energy barrier, ΔG‡,와 연관성이 있다.8 그러나 ΔG‡에 기여하는 모든 요소들을 현재 사용되는 방식으로는 정확한 방법으로 계산이 어렵다. 그래서 Eyring 방정식을 통한 k2와 ΔG‡의 연관성 구하기는 실패하기가 쉽다. k2 = kBT/hexp(-ΔG‡/RT)  ln k2 = ln(kBT/h) - ΔG‡/RT (1) (R은 기체 상수, T는 온도, kB 은 Boltzmann 상수,는 transmission coefficient로 보통 1로 여긴다. ) 특히 Eyring 방정식은 지수함수로 지수에 민감하기 때문에 각 항이 작은 변화에도 그 값에 큰 변화가 생기기 때문이다. 본 논문에서는 다양한 octahedral 비포르피린 철(IV)-옥소종 ([FeIV(O)(L)]2+ (L= Me3NTB, BQCN, Bn-TPEN, Me-TPEN, TPA, BQCN, N4Py))를 사용하여 1,4-cyclohexadiene(CHD)과의 이차속도상수(k2)를 구하였다. 그리고 C-H activation reaction에 실용적인 접근방법을 위해 실험으로 구한 Activation parameter 값과 DFT(by Dr. Kyung-Bin Cho)로 계산한 값을 비교하였다. 같은 용매(CH3CN)와 같은 온도(-40℃, -35℃, -30℃)에서 같은 기질(CHD)을 사용하여 정한 각각의 온도에서의 철(IV)옥소종의 k2값으로부터 방정식 (1)을 통해 ΔH‡exptl와 ΔS‡exptl를 구하였다. 그리고 기존의 Eyring 방정식을 변형하여 경험적 보정 상수 값 A 와 ε을 포함한 ln k2 = [ln(kBT/h) - A] – (1-)/RT  ΔE‡ (2) 을 고안하였다. 이상적인 경우에 이론과 실험이 일치한다면 ΔE‡ 와 ΔG‡exptl은 일치할 것이고 A 와 ε 의 값은 0 이 된다. 방정식 (2) 를 다시 정리하면 ln k2 = ln(kBT/h)- [((1-)ΔE‡ + ART)/RT] (3) 으로 나타낼 수 있고, 이 방정식 (3)을 (1)과 비교하여 (4)로 다시 쓸 수 있는데 ΔG‡exptl = (1-)ΔE‡ + ART = ΔE‡ - ΔE‡ + ART (4) 여기서 ΔG‡exptl 는 각각의 온도에서 측정한 k2값으로부터 Eyring plot (ln k2 vs. 1/T)이나 방정식 (1)에서 정할 수 있다. 실험적으로 측정한 ΔG‡exptl와 DFT로 계산한 ΔE‡를 바탕으로 A=20.67 그리고 =0.63으로 그 값을 정하였다. 9 이렇게 정한 새로운 상수 값으로 변형된 Eyring 방정식을 만들어 실험적 값과 이론적 계산값이 좀더 가까워 질 수 있는 실용적인 방정식을 제안하게 되었다.;[Part 1] High-valent iron(IV)-oxo intermediates have been identified as reactive species in the catalytic cycles of dioxygen activation by mononuclear nonheme iron enzymes such as in Escherichia coli taurine: α-ketoglutarate-dependent dioxygenase (TauD). The intermediates activate substrate C-H bonds to yield hydroxylated, desaturated, or halogenated products. In biomimetic studies, a number of mononuclear nonheme iron(IV)-oxo complexes have been synthesized and characterized by various spectroscopic techniques. In addition, it has been demonstrated that the intermediates are capable to oxidize various organic substrates (e.g. C-H bond hydroxylation, alcohol oxidation, olefin epoxidation, P-, S-oxidation, etc.). We have in recent reported a highly reactive mononuclear nonheme iron(IV)-oxo complex, [(Me3NTB)FeIV(O)]2+ (Me3NTB = tris((N-methyl-benzimidazol-2-yl)methyl)amin), in both C-H bond activation and oxygen-atom transfer reactions; this intermediate is more reactive than an iron(IV)-oxo porphyrin π-cation radical (i.e., a model of cytochrome P450 compound I). To date, it have been reported the most reactive species among synthetic nonheme iron(IV)-oxo complexes and shown extremely low activation barriers in the C-H bond activation of cyclohexane by the results of the density functional theory (DFT) studies. As a result, there has been considerable interest in studying electron-transfer (ET) properties to determine the reduction potential of iron(IV)-oxo complex, [(Me3NTB)FeIV(O)]2+, by adapting a series of ferrocene derivatives as one-electron reductants. To understand the effect of the ligand systems, the nonheme iron(IV)-oxo complex with the tripodal tetradentate ligand, [(TPA)FeIV(O)]2+ (TPA = tris(2-pyridylmethyl)amine) was introduced due to well-known properties. The iron(II) starting materials, [(Me3NTB)Fe]2+ and [(TPA)Fe]2+, were prepared by the reaction of equimolar amount of ligand and Fe(OTf)2•2CH3CN (OTf = CF3SO3) in acetonitrile in dry box filled with Ar gas. The nonheme iron(IV)-oxo complexes, [(Me3NTB)FeIV(O)]2+ and [(TPA)FeIV(O)]2+, were generated by combining equimolar amount of artificial oxidant such as m-CPBA (m-chloroperbenzoic acid) and Peracetic acid in acetonitrile at -40oC. The spectral change of each intermediate was monitored by cryostat low-temperature UV-vis spectrophotometer at 760nm and 720nm, respectively. For the study of oxidative reactivity in oxidation of C-H bond activation, the substrates with the range of 77-87 kcal/mol in C-H bond dissociation energies (BDE) were used to determine the second-order rate constants (k2, M-1s-1) of 3.1× 103 and 5.7, respectively at given condition. In addition, deuterium kinetic isotope effect (KIE) of 13 and 17 were obtained with 9,10-dihydroanthracene (DHA-H4/d4). Base on the results from BDE of substrates and the large KIE values, the rate-determining step involved C-H bond cleavage of substrate in H-atom abstraction reaction. Electron transfer rates of nonheme iron(IV)-oxo complexes, [(Me3NTB)FeIV(O)]2+ and [(TPA)FeIV(O)]2+, were observed by addition of large excess of reductants. The pseudo-first-order rate constants (kobs) increase linearly with increasing concentration of reductants and the second-order ET rate constant ket (M-1s-1) values were determined from the slopes of plots of kobs against concentration of ferrocene derivatives. The one-electron reduction potential (Ered) of 1.28 for [(Me3NTB)FeIV(O)]2+ and 0.78 for [(TPA)FeIV(O)]2+, were obtained with the second-order ET rate constant ket (M-1s-1) values and the Eox values of ferrocene derivatives (V vs SCE) in acetonitrile at -40oC. In conclusion, we have reported the generation and reactivities of synthetic nonheme iron(IV)-oxo complexes in acetonitrile at -40oC and provided the mechanistic details of C-H bond activation and electron transfer reactions. The high reduction potentials by electron transfer reactions are consistent with the observation as the [(Me3NTB)FeIV(O)]2+ species is high reactive intermediate and the powerful oxidant, compared with synthetic nonheme iron(IV)-oxo complexes. [Part 2] The Eyring equation in chemical kinetics relates the reaction rate to energy barriers. Therefore, the experimentally measured bimolecular reaction rate constant, k2, should in principle correlate with the theoretically calculated rate-limiting free energy barrier, ΔG‡ through this equation. k2 = kBT/hexp(-ΔG‡/RT)  ln k2 = ln(kBT/h) - ΔG‡/RT (1) But it fails quite often to do so due to the inability of current computational methods to account in a precise manner for all the factors contributing to ΔG‡. In order to investigate in this energy vs rate relationship more closely for C-H activation reactions by nonheme octahedral FeIVO species, we have generated a set of reation rate data under uniform experimental conditions, using various nonheme octahedral FeIVO complexes. Different [FeIVO(L)]2+ species were used in this study, where L is one of seven commonly used nonheme ligand systems(L= Me3NTB, BQCN, Bn-TPEN, Me-TPEN, TPA, BQCN, N4Py). We performed C-H activation reactions with 1,4-cyclohexadiene in CH3CN at -40oC with these FeIVO complexes. We find the reaction constant, k2 and also the activation parameters by changing the reaction temperature from -40oC to -30oC. ln k2 = [ln(kBT/h) - A] – (1-)/RT  ΔE‡ (2) The approach consists of determining two empirical constants (A=20.67 and =0.63) that would aid in predicting experimental k2 values uniformly and more accurately from theoretically calculated electronic energy ΔE‡ values.