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Electronic Structure and Reactivity of Mononuclear Nonheme Iron–Peroxo Complexes as a Biomimetic Model of Rieske Oxygenases: Ring Size Effects of Macrocyclic Ligands

化学 反应性(心理学) 电泳剂 配体(生物化学) 戒指尺寸 卟啉 戒指(化学) 立体化学 互变异构体 电子效应 光化学 结晶学 药物化学 有机化学 位阻效应 催化作用 受体 病理 替代医学 医学 生物化学
作者
Wenjuan Zhu,Peng Wu,Virginia A. Larson,Akhilesh Kumar,Xiao‐Xi Li,Mi Sook Seo,Yong‐Min Lee,Binju Wang,Nicolai Lehnert,Wonwoo Nam
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (1): 250-262 被引量:14
标识
DOI:10.1021/jacs.3c08559
摘要

We report the macrocyclic ring size–electronic structure–electrophilic reactivity correlation of mononuclear nonheme iron(III)-peroxo complexes bearing N-tetramethylated cyclam analogues (n-TMC), [FeIII(O2)(12-TMC)]+ (1), [FeIII(O2)(13-TMC)]+ (2), and [FeIII(O2)(14-TMC)]+ (3), as a model study of Rieske oxygenases. The Fe(III)-peroxo complexes show the same δ and pseudo-σ bonds between iron and the peroxo ligand. However, the strength of these interactions varies depending on the ring size of the n-TMC ligands; the overall Fe–O bond strength and the strength of the Fe–O2 δ bond increase gradually as the ring size of the n-TMC ligands becomes smaller, such as from 14-TMC to 13-TMC to 12-TMC. MCD spectroscopy plays a key role in assigning the characteristic low-energy δ → δ* LMCT band, which provides direct insight into the strength of the Fe–O2 δ bond and which, in turn, is correlated with the superoxo character of the iron-peroxo group. In oxidation reactions, reactivities of 1–3 toward hydrocarbon C–H bond activation are compared, revealing the reactivity order of 1 > 2 > 3; the [FeIII(O2)(n-TMC)]+ complex with a smaller n-TMC ring size, 12-TMC, is much more reactive than that with a larger n-TMC ring size, 14-TMC. DFT analysis shows that the Fe(III)-peroxo complex is not reactive toward C–H bonds, but it is the end-on Fe(II)-superoxo valence tautomer that is responsible for the observed reactivity. The hydrogen atom abstraction (HAA) reactivity of these intermediates is correlated with the overall donicity of the n-TMC ligand, which modulates the energy of the singly occupied π* superoxo frontier orbital that serves as the electron acceptor in the HAA reaction. The implications of these results for the mechanism of Rieske oxygenases are further discussed.
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