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How Axial Coordination Regulates the Electronic Structure and C–H Amination Reactivity of Fe–Porphyrin–Nitrene?

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作者
MaryAnn Mahajan,Bhaskar Mondal
出处
期刊:JACS Au [American Chemical Society]
卷期号:3 (12): 3494-3505 被引量:9
标识
DOI:10.1021/jacsau.3c00670
摘要

Detailed electronic structure and its correlation with the intramolecular C–H amination reactivity of Fe–porphyrin–nitrene intermediates bearing different "axial" coordination have been investigated using multiconfigurational complete active space self-consistent field (CASSCF), N-electron valence perturbation theory (NEVPT2), and hybrid density functional theory (DFT-B3LYP) calculations. Three types of "axial" coordination, −OMe/–O(H)Me (1-Sul/2-Sul), −SMe/–S(H)Me (3-Sul/4-Sul), and −NMeIm (MeIm = 3-methyl-imidazole) (5-Sul) mimicking serine, cysteine, and histidine, respectively, along with no axial coordination (6-Sul) have been considered to decipher how the "axial" coordination of different strengths regulates the electronic integrity of the Fe–N core and nitrene-transfer reactivity of Fe–porphyrin–nitrene intermediates. CASSCF-based natural orbitals reveal two distinct classes of electronic structures: Fe-nitrenes (1-Sul and 3-Sul) with relatively stronger axial coordination (−OMe and −SMe) display "imidyl" nature and those (2-Sul, 4-Sul, and 6-Sul) with weaker axial coordination (−O(H)Me, −S(H)Me and no axial coordination) exhibit "imido-like" character. A borderline between the two classes is also observed with NMeIm axial coordination (5-Sul). Axial coordination of different strengths not only regulates the electronic structure but also modulates the Fe-3d orbital energies, as revealed through the d–d transition energies obtained by CASSCF/NEVPT2 calculations. The relatively lower energy of Fe-3dz2 orbital allows easy access to low-lying high-spin quintet states in the cases of weaker "axial" coordination (2-Sul, 4-Sul, and 6-Sul), and the associated hydrogen atom transfer (HAT) reactivity appears to involve two-state triplet-quintet reactivity through minimum energy crossing point (3,5MECP) between the spin states. In stark contrast, Fe-nitrenes with relatively stronger "axial" coordination (1-Sul and 3-Sul) undergo triplet-only HAT reactivity. Overall, this in-depth electronic structure investigation and HAT reactivity evaluation reveal that the weaker axial coordination in Fe–porphyrin–nitrene complexes (2-Sul, 4-Sul, and 6-Sul) can promote more efficient C–H oxidation through the quintet spin state.
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