Functional Models for Non-heme Mononuclear Iron Oxygenases

Abstract

Non-heme mononuclear iron oxygenases catalyze a large number of oxidation reactions in biological systems. The reactions are often proposed to proceed via the intermediacy of high valent Fe(IV) oxo (ferryl) or, Fe(V) oxo (perferryl) intermediates. Therefore, in order to mimic the high valent Fe(IV) oxo chemistry as well as the catalytic processes exhibited by those enzymes, new functional model complexes have been prepared and their reactivities have been studied both experimentally and theoretically.

In order to prepare high valent Fe(IV) oxo complexes, two new pentadenate nitrogen donor-based ligands have been synthesized and their Fe(II) complexes have been synthesized and characterized. The Fe(II) complexes have been converted into the corresponding Fe(IV) oxo complexes using suitable oxidant. The Fe(IV) oxo complexes have been characterized by several spectroscopic techniques and their reactivities in C-H activation and the O-atom transfer reaction have been investigated. Theoretical studies have been carried out to investigate the H-atom transfer reaction. The Fe(II) complexes have also been employed in alkane oxidation catalysis using hydrogen peroxide and peracids.

To make functional models for Rieske oxygenases, three tetradentate nitrogen-donor based ligands have been prepared. The corresponding Fe(II) complexes have been prepared and characterized. The C-H hydroxylation and C=C oxidation reactions have been studied using these complexes as catalyst and hydrogen peroxide as oxidant. Isotope labeling studies and computational studies have been performed to investigate the reaction mechanisms.

A Fe(II) complex of a tetradentate chiral nitrogen-donor based ligand has also been prepared to investigate the asymmetric epoxidation of olefins, using hydrogen peroxide as oxidant.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Denna avhandling beskriver vissa funktionella syntetiska modeller av non-hem mononukleära järn oxygenas-enzymer. Sådana enzymer katalyserar ett brett spektrum av oxidationsreaktioner av biologisk relevans, som utnyttjar molekylärt syre. Dessa reaktioner utförs i regio- och stereoselektivt sätt och med hög verkningsgrad. Föreslås oxidationsreaktionerna ske via mellan hög valent Fe (IV) oxo eller Fe (V) oxo intermediärer, och en sådan Fe (IV) oxo mellan har varit instängd och kännetecknas i vissa enzymer. Den intressanta och användbara reaktivitet av dessa enzymer ger en inspiration för att utveckla syntetiska övergångsmetall modell komplex som kan vara användbara inom katalytisk forskning. Modell komplexen är utformade genom att fokusera antingen på de strukturella aspekterna av den aktiva platsen av enzymer eller, på de funktionella aspekterna av enzymerna. Vissa modeller komplex kan härma både strukturella och funktionella aspekter av enzymerna. Modellkomplex kan ge viktiga mekanistiska inblick i den katalytiska cykeln av enzymerna. I vissa modell komplex, har bildandet av hög valent Fe (IV / V) oxo intermediärer uppnåtts och deras reaktivitet har undersökts ordentligt. Användningen av molekylärt syre som oxidationsmedel i katalys är ett önskvärt val för sin hållbarhet i miljön. Alternativt är väteperoxid i stor omfattning som oxidationsmedel för sin miljövänliga natur och det är den näst mest önskvärda val efter syre från synvinkel miljöanpassning. Mycket katalys forskning har fokuserat på att använda syntetiska non-hem järnkomplex som katalysatorer med syre eller väteperoxid som gröna oxidanter.

Denna avhandling belyser två aspekter av icke-heme järn oxygenas enzymer: den katalytiska reaktivitet samt karakterisering och reaktivitet med hög valent Fe (IV) oxo intermediärer. Två hög valent Fe (IV) oxo-komplex har karakteriserats och deras reaktivitet mönster indikerar att elektronrika ligander öka graden av reaktioner (både H-atom och O-atomen överföringsreaktioner). Det hjälper oss att förstå att i naturen, de aktiva platserna för många metalloenzymer som fungerar som oxygenaser innehåller elektrondone imidazol (från histidin) och karboxylat (från aspartat eller glutamat) donatorgrupper som kan underlätta reativities hög värda järn oxo intermediärer som funktion som de aktiva oxidanter i de enzymatiska reaktionerna.

Katalytisk oxidation studier av substrat (alkaner och alkener) av vissa modellmononukleära Fe (II) komplex har undersökts. Dessa komplex är i stånd att utföra oxidation med hög stereospecificitet, selektivitet och utmärkt effektivitet. Reaktionerna utfördes med användning av H2O2 som ett grönt oxidationsmedel och i närvaro av vatten. Den roll som vatten i oxidationsreaktioner är viktigt eftersom det underlättar bildandet av en Fe (V) (O) (OH) oxidant via heterolytisk OO bond klyvning från en Fe (III) (OOH) (OH2) intermediär. Arten av de ligander även påverkar de reaktivitetsmönster. Ursprunget för de syreatomer som är införlivade i de hydroxylerade produkterna har studerats av isotopmärknings experiment och datormodellering. Dessa studier upprätta en mekanistisk scenario som innebär stegvis bildandet av en Fe (III) (OOH) (OH2) mellan följt av bildandet av en Fe (V) (O) (OH) intermediär.

Avhandlingen behandlar också den asymmetriska epoxideringsreaktionen att bilda optiskt aktiva epoxider. Sådana optiskt aktiva molekyler används som användbara prekursorer för biologiskt och industriellt viktiga molekyler och kemikalier. Asymmetrisk epoxidering med hjälp av icke-heme järn-komplex är ett relativt dåligt utnyttjade forskningsområde, men detta forskningsområde utvecklas snabbt. Förmånligt bildning av en optiskt aktiv epoxid produkt kan åstadkommas genom användning av en kiral katalysator. Avhandlingen innehåller ett exempel på en Fe (II) komplex som bär en kiral symmetrisk ligand och dess reaktivitet i enantioselektiv epoxidering av alken substrat.

• author: Mitra, Mainak
• supervisor: Ebbe Nordlander
• opponent: Dr. Britovsek, George, Imperial College London
• organization: Chemical Physics
• publishing date: 2014
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Atom and Molecular Physics and Optics
• keywords: Bioinorganic chemistry, Iron, Oxygenases, Catalysis
• pages: 133 pages
• defense location: Lecture Hall F, Kemicentrum, Lund University
• defense date: 2014-11-28 13:00:00
• ISBN: 978-91-7422-376-7
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Chemical Physics (S) (011001060)
• id: 3a6f4c3f-391c-4c5a-aab1-6efe495b99c8 (old id 4739502)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:41:33
• date last changed: 2018-11-21 21:00:13