Влияние лиганда на хемоселективность и активность

Влияние лиганда на хемоселективность и активность металлокомплекса в
катализе
А. А. Штейнман
Аннотация
Доклад посвящен изучению, методами химического моделирования, роли
лигандов в металлоферментах, N,N,O-оксигеназах, в активном центре которых железо
связано с тремя аминокислотными остатками протеина: двумя азотными (имидазолсодержащими) и одним кислородным (содержащим карбоксил). Активный центр N,N,Oоксигеназ являет собой идеальную платформу для окислительного катализа, поскольку,
благодаря фасиальной координации N,N,O-лигандов, имеется 3 соседних лабильных
координационных места, что позволяет одновременную координацию и взаимную
ориентацию субстрата, окислителя и кофактора. Функциональные возможности этих
оксигеназ гораздо шире, чем гемовых, имеющих для катализа только одно
координационное место. Хотя некоторые N,N,O-оксигеназы также способны
гидроксилировать алканы или эпоксидировать олефины, наиболее типичной и
замечательной реакцией для этих оксигеназ является цис-дигидроксилирование двойных
связей, включая не известное в химии цис-дигидроксилирование ароматики. Отсюда
понятна важность моделирования этих оксигеназ не только с целью выяснения их
природы, но также и для расширения арсенала химии путем открытия новых реакций и
новых катализаторов.
С целью воспроизведения уникальной каталитической активности N,N,O-оксигеназ
синтезирован тридентатный дипиридилфенилкарбоксамидный лиганд 1 и на его основе
приготовлен комплекс двухвалентного железа состава 1:2. Комплекс 1 оказался
эффективным катализатором цис-дигидроксилирования олефинов пероксидом водорода,
поскольку, согласно масс-спектрометрии в растворе этот комплекс претерпевает
обратимую диссоциацию одного из лигандов. При этом образуется комплекс состава 1:1
с тремя лабильными координационными местами, который можно рассматривать как
простейшую структурную модель N,N,O-оксигеназ.
Активным окислителем в этой реакции предполагается цис-дигидроксо-комплекс
четырехвалентного железа, образование которого требует бидентатной координации
пероксида водорода к железу и гомолитического расщепления пероксидной О-О связи.
Этот механизм принципиально отличается от установленного для моделей, содержащих
только азотные доноры в лиганде, в котором активный окислитель есть FeV=O,
образующийся в результате гетеролитического расщепления пероксидной О-О связи.
N,N,O-фасиальная конфигурация карбоксамидного лиганда была также найдена в
подобном комплексе 2, приготовленном с трипиридилкарбоксамидным лигандом,
который содержит третий пиридил вместо фенила в лиганде 1. В этом комплексе
потенциально тетрадентатный лиганд 2 использует для координации к железу
только свою N,N,O-фасиальную донорную триаду, оставляя третий дипиридил в
качестве внешнесферного донора.
Функциональная активность этих модельных комплексов определяется только
природой лигандов 1 или 2. В то время как комплекс 1 почти неактивен в реакции
окисления циклогексана пероксидом водорода, оба комплекса, 2 и 3, содержащие
внешнесферный пиридильный донор, продемонстрировали высокую каталитическую
активность в окислении циклогексана. Введение пиридила вместо фенила во внешнюю
координационную сферу железа кардинально меняет хемоселективность
металлокомплексного катализатора. В то время как комплекс 1 является высоко
селективным катализатором цис-дигидроксилирования двойной СС связи и
практически неактивен в окислении С-Н связи даже такой слабой как аллильная,
комплекс 2 не катализирует цис-дигидроксилирование олефинов, но активен в
окислении аллильной С-Н связи и эпоксидировании двойной связи. Высокая активность и
характерная хемоселективность комплексов 2 и 3 соответствуют механизму, в котором
генерируется значительно более активный перферрильный интермедиат, способный
атаковать самые прочные С-Н связи. С учетом монодентатной координации пероксида
водорода к железу в этом механизме, можно предположить, что изменение
каталитической активности обусловлено стабилизацией монодентатной координации
пероксида водорода вследствие соединения его с пиридилом посредством мостика из
водород-связанных молекул воды. Благодаря этому мостику внешнесферный пиридил
получает возможность катализировать гетеролитическое расщепление пероксидной
связи с образованием активного перферрильного интермедиата, моделируя функцию
внешнесферных аминокислотных остатков в гемовых оксигеназах. Таким образом
внешнесферный механизм гетеролитического расщепления пероксидной связи,
предложенный на основе моделей с карбоксамидными лигандами представляется более
вероятным для негемовых N,N,O-оксигеназ, чем внутрисферный механизм,
предложенный ранее на основе менее адекватных моделей с тетрадентатными
полностью азотными лигандами.
Выводы
1. Карбоксамидные лиганды и комплексы 1 и 2 на их основе эффективно моделируют
N,N,O-фасиальную координацию и каталитическую активность моноядерных негемовых
оксигеназ.
2. Введение О-донора в 1-ую координационную сферу Fe дает почти 100%-ную цисдигидроксилирующую селективность, что согласуется с участием дигидроксоферрильного ключевого интермедиата.
3. Введение Py вместо Ph во 2-ую координационную сферу комплекса 2 кардинально
изменяет хемоселективность и активность его путем переключения механизма. Хотя
точная природа такого переключения неизвестна, наиболее вероятной является
стабилизация монодентатного пероксидного интермедиата с участием внешнесферного
донора и нескольких молекул воды.