Biomimetic metal-mediated reactivity

Christina Wegeberg

Publikation: AfhandlingPh.d.-afhandling

Abstract

Denne afhandling fokuserer på aktivering af terminale oxidationsmidler (PhIO, NMO, H2O2,
tBuOOH, cumylOOH, m-CPBA, ClO-) i organiske og vandige opløsninger af det mononukleare nonhæm
jern kompleks [Fe(tpena)]2+ dvs. detektering og karakterisering af transiente [Fe(tpena)]2+-
baserede oxidanter (skema B) samt belysning af mekanismer og reaktivitetsmønstre vigtige for
brugen i oxidation katalyse.

[Fe(tpena)]2+ er et relevant system til bioefterligning af non-hæm jern O2 aktiverende enzymer
grundet tilstedeværelsen af en carboxylat donor i den første koordinationssfære og en base i
den anden koordinationssfære. Carboxylat donoren forårsager et betydelig mindre FeII/FeIII
reduktionspotentiale for [Fe(tpena)]2+ sammenlignet med de mange non-hæm jern komplekser
uden denne funktionelle gruppe rapporteret de sidste tre årtier. En konsekvens deraf er
stabilisering af et jern(III) oxidationstrin til forskel fra et jern(II) oxidationstrin, som herved
skaber en katalysator med en bemærkelsesværdig mangfoldighed: reaktiviteten kontrolleres af
den valgte terminale oxidant, hvilket gør det muligt at skifte mellem paradigmerne af HAT- og
OAT-baserede oxidationer.
Reaktiviteten af jern-tpena systemet tilskrives jern(IV)oxo forbindelsen [FeIVO(Htpena)]2+, som
dannes via homolytisk kløvning af [FeO-X(tpenaH)]2+. Helt afhørende grunde til en mere
aggressiv reaktivitet sammenlignet med andre non-hæm jern model komplekser er
kombinationen af øget labilitet af FeO-X bindingen og større oxyl radikal karakter af
[FeIVO(Htpena)]2+. Dette giver sig til udtryk i hydrogen, alkyl og acylperoxid disproportionation
samt større anden ordens reaktionskonstanter i C-H abstraktion og katalytiske udbytter.
Ulempen ved brugen af peroxider som oxidationsmiddel er dog dannelsen af frie og
promiskuøse radikaler, X•, som dannes samtidig med [FeIVO(Htpena)]2+. Radikalerne kan også
virke som oxidanter, og som konsekvens vil selektiviteten i oxidation af substrater sænkes og
ligand-nedbrydning kan forekomme, hvis ikke det rette eksperimentelle design er blevet
benyttet. Tab i selektivitet kan dog blive forhindret ved at generere jern(IV)oxo forbindelsen direkte med en en-elektron acceptor fra dens jern(III) forgænger. I serien af ethylenediaminbaserede
jern(IV)oxo forbindelser er [FeIVO(Htpena)]2+ og [FeIVO(HtpenO)]2+ overlegne i hhv.
oxidation af C-H (både vandige og organiske opløsninger) og O-H bindinger.
Modsat brugen af peroxider, observeres der ingen radikale kemi, når oxidanten PhIO benyttes.
Selektive og katalytiske oxidationer er derimod demonstreret, hvilket tyder på en OAT
mekanisme katalyseret af en metal-baseret oxidant f.eks. den detekterbare [FeIII(OIPh)(tpena)]2+,
{[FeIII(OIPh)(tpena)]}2
4+ eller en ikke detekterbar jern(V)oxo forbindelse genereret via heterolytisk
kløvning af O-I bindingen. Halogen binding og forskellighederne af FeIIIO-X bindingen for PhIO
sammenlignet med peroxiderne tilordnes en helt afgørende betydning for observationen af de
forskellige reaktionsmønstre (OAT vs. HAT).
[Fe(tpena)]2+ gennemgår under ambiente forhold irreversibel, lys-induceret O2-afhængig Ndeglycinering
under dannelse af et jern(II) kompleks. Denne proces inkluderer et tab svarende til
en glycyl gruppe. Fortløbende C-C og C-N kløvninger er dokumenteret ved kvantitative målinger
samtidig med sekventiel produktion af hhv. CO2 og formaldehyd. Tidsafhængig spektroskopi har
muliggjort spektroskopisk karakterisering af to jern-baserede intermediater på reaktionsvejen til
degenerationsproduktet.
OriginalsprogEngelsk
Bevilgende institution
  • Syddansk Universitet
Vejledere/rådgivere
  • Mckenzie, Christine Joy, Vejleder
  • Browne, Wesley R., Vejleder, Ekstern person
Dato for forsvar11. jan. 2019
UdgivelsesstedOdense
Udgiver
StatusUdgivet - 11. jan. 2019

Note vedr. afhandling

Grad tildelt 30-01-2019

Fingeraftryk

Dyk ned i forskningsemnerne om 'Biomimetic metal-mediated reactivity'. Sammen danner de et unikt fingeraftryk.

Citationsformater