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【J. Am. Chem. Soc.】谁驱动了非血红素铁配合物的自由基卤化与羟基化?

on style="white-space: normal; text-align: justify; text-indent: 2em;">非血红素铁卤化酶是自然界中独特的酶,可选择性地激活底物的脂肪族 C-H 键,将其转化为 C-XX = Cl/Br,但不是 F/I)。

其中,α-酮戊二酸依赖性非血红素铁卤化酶即可通过氧气和铁中心产生的铁氧化物中间体,将键结在铁上的α-酮戊二酸 (αKG)底物进行选择性脂肪族 C-H 键活化。在反应催化循环中目前推测主要的驱动力,或许是借由过程中生成了 FeIII(OH)(X) 中间体导致。


图片来源:J. Am. Chem. Soc.

 

该中间体的角色特殊,若在非血红素铁羟化酶中生成了FeIII(OH)中间体,其可转移 OH• 以产生醇产物;而卤化酶则是将 X• 转移至碳自由基底物产生卤化物。
不过,到底是什么驱动了单核非血红素铁配合物中的自由基卤化与羟基化?至今还没有一个确切的定论。
所以,最近The Johns Hopkins UniversityDavid P. GoldbergThe University of ManchesterSam P. de Visser教授合作,通过使用FeIII(BNPAPh2O)(OH)(X)络合物作为模拟酶,在J. Am. Chem. Soc.上发表相关的机理实验和计算研究,试图从中探索出自由基卤化反应进行的驱动力。


图片来源:J. Am. Chem. Soc.

 

他们通过配合物 FeIII(BNPAPh2O)(OH)(X)(X = Cl, Br) 与二级碳自由基 (R•) 的反应性可见,X• 转移会发生在仲碳自由基上,而 OH• 转移则是发生在叔碳自由基上。

图片来源:J. Am. Chem. Soc.

 

有鉴于此,他们也进行了密度泛函理论的综合计算,检查这种选择性的可能来源。他们的计算结果与实验结果相符合,叔碳自由基的卤素转移是不会发生的。因为尽管卤化途径的反应势垒可能较低,但是这些反应的吸能性质会导致非生产性平衡现象的发生。


图片来源:J. Am. Chem. Soc.

 

相反地,卤素转移却有利于二级碳自由基,因为卤代产物配合物在热力学上比反应物配合物更稳定。


图片来源:J. Am. Chem. Soc.

 

此外,计算分析还表明,卤素转移的反应势垒显著依赖于二级配位空间效应,包括空间环境和氢键的相互作用等。

 

参考文献:What Drives Radical Halogenation versus Hydroxylation in Mononuclear Nonheme Iron Complexes? A Combined Experimental and Computational Study

J. Am. Chem. Soc. 2022, jacs.2c01375

 

原文作者:Emilie F. Gérard, VishalYadav, David P. Goldberg,* and Sam P. de Visser*

 

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jacs.2c01375


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