Биомиметическое окисление алканов пероксидом водорода при катализе моделями негемовых оксигеназ тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

На правах рукописи

ТУРИЦЫНА Елена Алексеевна

БИОМИМЕТИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ АЛКАНОВ ПЕРОКСИДОМ ВОДОРОДА ПРИ КАТАЛИЗЕ МОДЕЛЯМИ НЕГЕМОВЫХ ОКСИГЕНАЗ

02 00 04 - Физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Черноголовка - 2007

003066602

003066602

Работа выполнена в Институте проблем химической физики Российской Академии Наук

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор

Штейнман Альберт Александрович

Официальные оппоненты: доктор химических наук

Лермонтов Сергей Андреевич

Институт физиологически активных веществ Российской Академии Наук, г Черноголовка

доктор технических наук, профессор Севостьянов Владимир Петрович

Саратовский государственный университет им Н Г Чернышевского, г Саратов

Ведущая организация: Московский Государственный

Университет им МВ Ломоносова, г Москва

Защита состоится «24» октября 2007 г в 10 часов, в КОНе на заседании диссертационного совета Д 002 082 02 при Институте проблем химической физики РАН по адресу 142432, Московская область, г Черноголовка, пр Семенова, д 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПХФ РАН г Черноголовка, пр Семенова, д 1

Автореферат разослан » ВДиХьйЛ^ьЛ 2007 г

Ученый секретарь

диссертационного совета Джабиев Т С

Общая характеристика работы

Актуальность. Изучение биомиметического окисления алканов представляет значительный интерес как вследствие необходимости новых эффективных и селективных катализаторов функционализации алканов, так и с точки зрения познания механизма удивительных ферментов - оксигеназ, способных селективно и с высокой скоростью окислять углеводороды при обычных условиях температуры и давления Несмотря на все усилия, природа этих реакций все еще остается до конца невыясненной и необходимы всесторонние дополнительные исследования с использованием различных подходов

Согласно современным представлениям механизм катализа металлсодержащими оксигеназами состоит в переносе атома кислорода от активного металл-кислородного интермедиата, образующегося в результате восстановительной активации 02 на металлоцентре Железосодержащие оксигеназы, способные окислять алканы, разделяются на три основных типа гемовая оксигеназа - цитохром Р450, и две негемовые оксигеназы моноядерная 2— Н13-1-СОО- - оксигеназа и биядерная метанмонооксигеназа (ММО)

Химические модели помогли выяснить многие вопросы механизма гемовых оксигеназ и открыли для химии новые реакции окисления Моделирование негемовых оксигеназ находится только в начале своего развития В случае последних, ввиду отсутствия готовых модельных комплексов, таких как железопорфириновые модели гемовых оксигеназ, потребовался синтез определенным образом организованных биомиметических лигандов

Химическое моделирование оксигеназ стимулируется тем, что направленное оксигенирование определенной связи С-Н в алканах и других соединениях крайне редко в органической химии и в то же время довольно притягательно для нее в связи с проблемой функционализации алканов Действительно, алканмоноксигеназы, такие как цитохром Р450 и ММО, способны эффективно катализировать энергетически трудное гидроксилирование алканов в мягких условиях с высокой селективностью. И, что еще важнее, подобные ферменты осуществляют регио- и стереоселективное внедрение атома кислорода в неактивированные связи С-Н различных соединений в одну стадию, осуществляя таким образом направленный перенос атома кислорода от окислителя в С-Н-связь Исследования активации и биомиметического окисления алканов являются традиционным направлением Института проблем химической физики РАН в Черноголовке Несколько лет назад в ИПХФ впервые была обнаружена биомиметическая реакция переноса атома О от Н2О2 в С-Н связь алканов, протекающая с сохранением конфигурации у асимметрического атома углерода К настоящему времени известно только несколько каталитических систем такого типа, и они пока малоэффективны Кроме того, механизм реакций протекающих в этих системах, недостаточно изучен Поэтому необходим поиск новых, более совершенных систем и их исследование

Комплексы на основе простых лигандов являются сравнительно лабильными и не могут адекватно моделировать хорошо организованную структуру активных центров ферментов С целью получения адекватных моделей негемовых биядерных центров в ИПХФ РАН ранее были сконструированы

1

-Лг

каркасные лиганды и синтезированы биядерные комплексы, структурно-функциональные модели ММО Однако каталитические свойства этих комплексов не были достаточно изучены

Цель работы. Основной задачей настоящей работы было получение новых комплексов железа, моделирующих активные центры негемовых оксигеназ, и изучение каталитической активности их и некоторых ранее полученных комплексов в стереоспецифическом окислении алканов пероксидом водорода Исследования были сосредоточены на следующих направлениях

1 синтез новых полидентатных лигандов, включая замещенные фенантролины. тетрадентатные карбоксамидные лиганды и октадентатные бинуклеирующие каркасные лиганды

2 Изучение комплексообразования новых лигандов с железом (III) и (II)

3 Выяснение особенностей строения полученных комплексов методом рентгеноструктурного анализа, спектральными методами и электроспрей масс-спектроскопией (ЕСМС)

4 Изучение каталитической активности комплексов железа в окислении циклогексана, адамантана и 1,2- ^ие-диметилциклогексана пероксидом водорода

5 Получение данных о механизме путем использования тестов на механизм и попытки обнаружить пероксидные и феррильные интермедиаты в модельных системах.

Научная новизна работы. Синтезированы новые лиганды (тетрадентатный лиганд с карбоксамидным донором, декадентатный динуклеирующий каркасный лиганд с пиридин-карбоксилатным донором, фенантролиновые лиганды с липофильными заместителями) и на их основе получены биомиметические комплексы железа, состав и строение которых подтверждены элементным и спектральным анализом Физико-химические свойства полученных комплексов исследованы методами ЭПР, ИК-, УФ-видимой спектроскопией, получены рентгеновские структуры комплексов с карбоксамидным лигандом

Особое внимание было уделено изучению каталитической активности этих комплексов в реакции окисления алканов пероксидом водорода в мягких условиях Большинство полученных комплексов способны катализировать селективное и стереоспецифическое окисление алканов преимущественно до спиртов, что подтверждает общность механизма переноса атома О для всех этих систем независимо от лигандного окружения Системы с карбоксамидными комплексами железа оказались наиболее эффективными из известных моделей негемовых оксигеназ в окислении алканов С использованием биядерных комплексов железа с каркасными лигандами, сохраняющими целостность биядерного центра и его координационного окружения в каталитическом растворе, подтвержден биомиметический механизм переноса О для биядерного центра, что делает эти комплексы адекватными моделями метанмонооксигеназы При высоких концентрациях пероксида водорода обнаружена новая реакция стереоспецифического гидропероксидирования алканов комплексами железа Этот результат подтверждает предположение об образовании и участии в реакции с алканами при высоких концентрациях пероксида водорода второго феррильного интермедиата, а именно феррил-пероксидного интермедиата.

Практическая значимость работы. Изучение структуры и механизма действия ферментов открывает путь к созданию синтетических катализаторов по своей эффективности и селективности не уступающих ферментам

Соответствующие природные ферментативные системы являются пока непревзойденными как в отношении скорости, так и селективности окисления алканов, поэтому биомиметический подход, то есть создание их химических аналогов, представляется особенно перспективным Необходимо отметить также, что молекулярный кислород и пероксид водорода являются наиболее экологически чистыми окислителями

Понимание активации кислорода оксигеназами позволит прояснить общие принципы окисления углеводородов при катализе соединениями переходных металлов и разработать научные основы для биомиметического катализа окисления алканов и других соединений

Развитие биомиметического окисления алканов дало новые возможности решения проблемы активации и функционализации С-Н связей Практические потребности в производных алканов стимулируют поиск новых реакций для создания более эффективных процессов превращения алканов Основные источники алканов - нефть и природный газ - используются в основном в качестве горючего и только 5% подвергаются химической переработке, причем прямая функционализация алканов составляет всего доли процента

Моделирование оксигеназ представляет интерес для химиков, прежде всего с точки зрения развития новых каталитических превращений, поскольку современные технологические процессы окисления углеводородов далеки от совершенства Это одна из основных задач биомиметического катализа

В то же время данные, полученные на модельных системах, представляют интерес для исследователей, изучающих оксигеназы Действительно, ни один механизм, постулируемый для ферментных систем, не может считаться доказанным, пока не будет найдена химическая модельная система, работающая по тому же самому механизму с тем же или близким результатом.

Публикации и апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на 1-ой Международной конференции по высокоорганизованным каталитическим системам (Черноголовка, 2002), 5-ой Европейской конференции по бионеорганической химии (Лунд, Швеция, 2002), международной конференции по современным направлениям в металлорганической и каталитической химии (Москва, 2003), 2-ой Международной конференции по высокоорганизованным каталитическим система (Москва, 2004), а также на научных семинарах и конкурсах научных работ в ИПХФ РАН По теме диссертации опубликовано 9 научных работах, в том числе 5 статей и 4 тезисов докладов на конференциях

Объем и структура диссертации. Общий объем диссертации 109 страниц Диссертация состоит из введения, 6-и глав, выводов и списка цитируемой литературы, состоящего из 113 ссылок В диссертации 32 рисунка, 9 таблиц

Содержание работы.

Во Введении обосновывается актуальность проблемы и сформулированы основные задачи исследования

В первой главе приведен обзор литературы по изучаемой проблеме, кратко описано строение и каталитический цикл биологических катализаторов, окисляющих алканы, а также их химических моделей, известных к началу настоящего исследования Для некоторых из этих моделей предложен механизм катализа окисления алканов и охарактеризованы некоторые интермедиаты, которые также рассматриваются в рамках этой главы

Во второй главе приведены методы очистки основных растворителей и исследуемых углеводородов, методики синтеза лигандов и комплексов на их основе, а также анализ продуктов окисления алканов и аналитические методы, используемые для определения содержания железа в полученных комплексах, и пероксида водорода, израсходованного в реакции окисления алканов Основное внимание сосредоточено на методике окисления циклогексана, адамантана и цис-1,2-диметилциклогексана пероксидом водорода при различных условиях проведения эксперимента

Третья глава посвящена синтезу комплексов железа (III) с фенантролином и его производными и их каталитической активности Исследование биомиметического окисления алканов было начато с детальною изучения каталитической активности описанных ранее комплексов [РегОЬ^НгО^КСЮ^, где L = 4,7-диметил-1,10-фенантролин (1), 1,10-фенантролин (2), 5-нитро-1,10-фенантролин (3). С целью поиска более активных катализаторов такого типа был выполнен синтез новых биядерных комплексов железа с лабильными координационными местами, где L - гидрофобные фенантролины с электроотрицательными и липофильными заместителями 3,8-дибромфенантролин (4), 3,4,7,8-тетрахлор-1,10-фенантролин (5), 4,7-диэтил-3,8-дихлорфенантролин (6), 4,7-дифенил-3,8-дихлорфенантролин (7) и 4,7-дигексил-3,8-дихлорфенантролин (8)

В таблице 1 приведены основные характеристики катализируемого комплексами 1-3 окисления алканов пероксидом водорода- степень сохранения конфигурации (RC) при окислении третичной С-Н связи в 1,2-диметилциклогексане (ДМЦГ), отношение спирт/кетон {А/К) при окислении циклогексана и региоселективносгь атаки на третичную и вторичную С-Н связи адамантана (3°/2°), а также их зависимость от концентрации пероксида водорода и электронных эффектов заместителей в лигандах.

Таблица 1

Характеристики окисления в присутствии комплексов 1-3

Металлокомплекс (М) |н2о 2]/fMl «10 ГН2о 2]/[М] = 140

А/К 3°/2° RC, % А/К 372° RC, %

Fe(Me2phen) 1 7 18 - 1 5 1 5 81

Fe(phen) 2 0 10 - 1.7 1 0 77

Fe(N02phen) 2 8 6 94* 26 1 1 74

[М] в этом опыте выше обычной в 5 раз

Из таблицы 1 видно, что параметры А/К, 3°/2° и RC, характеризующие реакционную способность активного окислителя, хорошо коррелируют с электронным эффектом заместите.™ в фенашролиновом ядре для включенных в таблицу комплексов Зависимость характеристик каталитической активности комплексов железа от электронных свойств заместителя в лиганде подтверждает непосредственное участие комплекса металла в катализе переноса атома О от пероксида водорода на связь С-Н алкана Высокая степень сохранения конфигурации при асимметрическом атоме углерода ДМЦГ также подтверждает механизм переноса атома кислорода с участием металлокомплекса Однако величина RC для фенантролиновых комплексов при сравнимых условиях ниже, чем RC в случае катализа комплексами железа с тетрадентатными лигандами, где она обычно близка к 100% Как видно из таблицы 1, наблюдается тенденция к уменьшению RC при усилении электроакцепторной силы лиганда в этих комплексах Вследствие этого мы предположили, что снижение стереоселективности в ряду тетрадентатный > бидентатный связано с большей диссоциацией бцдентатного лиганда при высоком разбавлении в каталитическом растворе. Действительно, при пятикратном увеличении концентрации комплекса 3 в условиях медленного введения пероксида водорода в реакционный раствор ([Н202]/[М] «10) наблюдается заметное улучшение стереоселективности (см табл 1) Таким образом, при определенных условиях фенантролиновые комплексы железа показывают такую же высокую стереоспецифичносп. в катализе окисления алканов пероксидом водорода, как и комплексы железа с тетрадентатными лигандами, что еще раз подтверждает общность механизма переноса атома кислорода с участием феррильных интермедаатов независимо от природы хеяатных лигандов

Простые фенантролиновые комплексы типа 1-3 обычно получают в водных или водно-метанольных средах Однако эти методики неприменимы к синтезу комплексов с липофильными лигандами Компромиссную среду для реакции удалось создать, используя смеси метанола или ацегонитрила с дихлормегганом Спектроскопические характеристики новых комплексов 4-8 соответствуют спектрам биядерных ц-оксокомплексов железа (III), в частности наблюдаются две интенсивные полосы в области 300 - 400 нм, которые являются полосами переноса заряда от мостикового О к Fe (III), а в области 550 - 600 нм спектр содержит одну характерную полосу поглощения фрагмента Fe20, наличие которого подтверждает также наблюдение асимметричной полосы vFe_0-Fe ~ 836 см" 1 в ИК-спектрах этих комплексов Сравнение УФ-видимых и ИК-спектров, а также данные микроанализа позволяют предполагать для всех комплексов 4-8 однотипную структуру, сходную со структурой родоначальника ряда [Fe20(phen)4(H20)2](C[04)4

Таким образом, нами был разработан метод синтеза биядерных комплексов железа с липофильными фенатролиновыми лигандами, однако чувствительность этих комплексов к воде снижает их каталитическую активность, вероятно, вследствие промотируемой водой ассоциации молекул этих комплексов и уменьшения числа доступных активных центров Нам не удалось существенно улучшить каталитические свойства фенантролиновых комплексов путем введения новых заместителей в фенантролиновое ядро Поэтому встала задача поиска других лигандов для железа.

Глава четвертая как раз и посвящена новому лиганду и комплексам на его основе К началу исследования было известно немного типов негемовых комплексов железа, катализирующих перенос О к алканам Тетрадентатные

лиганды tpa и Ьртеп, используемые в работах американских исследователей для создания моделей моноядерных и биядерных негемовых центров, содержат только азотные доноры, тогда как координационное окружение железа в негемовых оксигеназах содержит также кислородные доноры В последние годы большой интерес исследователей, работающих в области бионеорганической химии, вызывают полидентатные лиганды с амидными донорными группами, аналогичными полипептидным донорам в ферментах

Нами разработан синтез нового потенциально тетрадентатного лиганда с амидным донором внутри молекулы, бис-(2-пиридил)метил-2-пиридил-карбоксамида (^рсаН) С этим лигандом получены Ре(Н)- и Ре(Ш)-комплексы и изучена их каталитическая активность в реакции окисления алканов пероксидом водорода в ацетонитриле Синтез лиганда

Лиганд получали трехстадийным синтезом по схеме представленной на рис 1 из дипиридилкетона с общим выходом 65% Структура лиганда подтверждена ПМР, ИКС и масс-спектрометрическим анализом

Рис. 1 Схема получения бг/с-(2-пиридил)метил-2-пиридил-карбоксамида (ЧрсаН)

Новый потенциально тетрадентатный лиганд 1рсаН содержит три пиридиновых донора и напоминает хорошо известный тетрадентатный лиганд 1ра, с тем лишь отличием, что вместо алифатического амина в качестве четвертого донора выступает карбоксамидная группа. Наличие этой группы приводит к тому, что лиганд может участвовать в комплексообразовании с ионом переходного металла либо как нейтральная молекула, либо, в депротонированной форме, как анион

Синтез комплексов железа, их состав и спектральные свойства На основе нового карбоксамидного лиганда 1рсаН мы получили два комплекса Ре(И) [Ре(1рсаН)(МеСК)2]2(С104)4 (9) и [Ре(1рсаН)2](С104)2 (10), и и-оксокомплекс железа (III) [РегООрса^НгОЗгКСЮ^г (11) Это первые комплексы железа, содержащие лиганд с одной карбоксамидной группой Комплекс 9, полученный из железа (II) и одного эквивалента 1рсаН, имеет светло-оранжевую окраску, а комплекс 10 полученный из железа (II) и 2 эквивалентов лиганда, имеет желтую окраску Биядерный БегО-комплекс 11 получили путем самосборки в метаноле и окислением комплекса 9 пероксидом водорода в ацетонитриле

Состав этих комплексов был подтвержден элементным анализом и масс-спектрометрией, а также УФ-видимыми, ИК и мессбауэровскими спектрами В комплексах Ре(Н) лиганд находится в нейтральной форме, тогда как в Ре20-комплексе он депротонирован из-за увеличения кислотности карбоксамидной группы при координации к Ре(Ш)

а

б

Рис 2 Кристаллические структуры комплексов 9 (а) и 10 (б)

ИК спектр свободного лиганда показывает характерные полосы карбоксамидной группы узкую и сильную полосу при 3350 см"1 (уда), интенсивные полосы при 1670 см"1 (уссь амидная I полоса) и 1504 см'1 (5мн, амидная II полоса). При образовании комплексов 9 и 10 полоса при 3350 см"1 значительно ослабляется и уширяется, а при образовании комплекса 11 исчезает вовсе Амидная I полоса сдвигается при комплексообразовании в сторону низких частот, величина сдвига Д =35см"' для всех комплексов в согласии с величинами, найденными для других металлокомплексов карбоксамидных лигандов Амидная II полоса сдвигается в сторону больших частот на 80 см"1 для комплекса 11, что характерно для комплексов с депротонированным карбоксамидом В ИКС комплекса 11 присутствует широкая асимметричная полоса уРе-о-ре = 830 см"1, являющаяся характеристикой биядерных ц-оксокомплексов железа

Согласно спектроскопическим данным комплексы 9 и 10 находятся в высокоспиновом состоянии Это не удивительно, потому что карбоксамидная группа должна быть лигандом слабого поля Две интенсивных полосы лиганда при 360 и 420 нм обнаружены в электронных спектрах 9 и относятся к высокоспиновой (З6 электронной конфигурации Для 9, слабая полоса при 830 см"1 отвечает 5Т2г -» 5ЕВ переходу, который является единственным спин-разрешенным переходом для высокоспинового октаэдрического <16 Ре2+ иона

'Н ЯМР-спектры 9 и 10 в СЭзСИ или (СВ3)2СО показывают относительно острые пики с хорошим разрешением, которые характерны для высокоспиновых ферро-комплексов Высокоспиновое состояние подтверждается и данными мессбауэровского спектра комплекса 9. Изомерный сдвиг и квадрупольное расщепление этого комплекса типично для высокоспинового железа(И)-центра в N/0 координационном окружении

Кристаллические структуры комплексов 9 и 10 показаны на рис 2 а, б В кристаллическом состоянии комплекс 9 представляет собой димер двух моноядерных комплексов типа показанных на рис 8 В этом димере два иона железа соединены двумя молекулами лиганда Средняя длина связи Ре-Иру = 2 20

А в 9 и сопоставима с соответствующими величинами для высокоспиновых комплексов железа(И)

Кристаллическая структура 9 подтверждает данные ИК-спектроскопии, что карбоксамидная группа координирована через атом кислорода. Согласно данным РСА в комплексе 10 1рсаН действует как тридентатный лиганд, в этом случае Ре(П) координирован Ы,К,0-фрагментами двух карбоксамидных лигандов

Окисление алканов пероксидом водорода при катализе карбоксамидными комплексами

Каталитическая активность комплексов 9-11 была изучена в окислении насыщенных углеводородов циклогексана, адамантана и цис-1,2-диметилциклогексана (ДМЦГ) Все комплексы окисляли алканы до

соответствующих спиртов и кетонов, указывало на стереоспецифичность

50 ^-1

ТМ (1) 40 ■

30 • А/К (2) 20 ■ У% (3) 10 ■ 3

0 • У*'

»4

Рис 3 Окисление циклогексана пероксидом водорода в ацетонитриле при катализе комплексом 9.

а окисление ДМЦГ во всех случаях процесса. Результаты этих опытов представлены в табл 2 и на рис 3

Обнаружение каталитической активности для комплекса 10 с замкнутой координационной сферой (А/К = 3, КС = 30%) было до некоторой степени неожиданным и обусловлено, по-видимому, полной или частичной диссоциацией связанного карбоксамидного

лиганда с образованием вакансий, необходимых для координации молекулы Н202

Согласно ЕС-масс-

спектрометрии в растворе ацетонитрила при концентрациях, находится преимущественно в виде

используемых в катализе, комплекс 9 мономера (отношение мономера к димеру около 50) в равновесии с некоторым количеством комплекса 10 С другой стороны в сильно разбавленных растворах комплекса 10 присутствует также некоторое количество мономера комплекса 9 Таким образом, для каталитических растворов можно предположить следующее равновесие комплексных ионов (рис 4)

м до \ / N—Ре—

0=тГ

НаУ

N

£

Рис 4. Равновесия комплексов в растворе ацетонитрила

Координационное окружение железа в этих комплексных ионах моделирует координационное окружение железа в негемовых оксигеназах с наличием ДОС-расположенных лабильных лигандов (в данном случае ацетонитрила)

Таблица 2

Окисление алканов перекисью водорода при катализе комплексами железа

Исходный комплекс Время1, час Циклогексан Адамантан 3°/Г дмцг RC,%

TN А/К Y, %

[Fe20(phenN02)4(H20)2](C104)4 0,5 5 26 10 1.1 74

[Fe!I(tpa)(MeCN)2](C104)2 0,25 3 5 32i 17 100

[Fen(bpmen)(MeCN)2](C104)2 0,5 5 13 50 22 100

[FeII(tpcaH)(MeCN)2](C104)2 53 50 7 12 6 96

[Fe20(tpca)2(H20)2](Cl04)2 28 43 7 10 6 97

Примечания 1 время до полного израсходования пероксида водорода, 2 в условиях медленного введения Н202

Сходство катализа комплексами 9 и 11 (см Табл 2), позволяет предположить, что в начальный момент реакции комплекс 9 окисляется пероксидом водорода в комплекс 11 Действительно, мы показали, что комплекс 11 может быть синтезирован окислением комплекса 9 пероксидом водорода. Соотношение спирт/кетон увеличивается в начальный момент при катализе комплексом 9 (рис 3), а затем сохраняется постоянным на всем протяжении реакции Оба комплекса показывают хорошую каталитическую активность в окислении алканов пероксидом водорода В то же время ни наши данные, ни данные работы не позволяют заключить какой комплекс железа(Ш), моно- или биядерный, является ответственным за катализ, поскольку, независимо от исходного состояния, в растворе всегда существует равновесие между биядерной и моноядерной формами

Fe(lll) - О - Fe(lll) + Н20-2 FeflII) - ОН

Как показывает анализ результатов, приведенных на рис 4 и в таблице 2, усредненное отношение спирт/кетон равно 7 для обоих катализаторов и значительно выше величины, характерной для радикально-цепного окисления, находящейся около 1 Также наблюдается высокая стереоспецифичность реакции окисления Эти наблюдения, вместе с отсутствием влияния кислорода воздуха на процесс, указывают на то, что свободно-радикальные реакции не играют существенной роли в окислении с участием этих катализаторов

В таблице 2 проведено сравнение с изученными ранее каталитическими системами, способными к стереоспецифическому гидроксилированию алканов Очевидно, что новые катализаторы обнаруживают неплохую каталитическую активность при умеренной скорости гидроксилирования Интересно отметить, что согласно работе только низкоспиновые комплексы Fe(II) с tpa приводили к стереоспецифическому гидроксилированию алканов Наши данные показывают, что низкоспиновая природа исходных Ре(И)-комплексов не является обязательным условием стереоспецифического гидроксилирования, хотя, возможно, приводит к уменьшению скорости гидроксилирования, как видно из таблицы 2 Увеличенный выход продуктов окисления на Н202 в системах с tpa и bpmen обусловлен использованием медленного введения пероксида водорода в каталитический

раствор, чтобы уменьшить бимолекулярный процесс разложения пероксида водорода путем его диспрогториионирования с выделением 02; катализируемый комплексами железа:

Наши данные согласуются с общепринятым механизмом для превращения Н2О2 на моноядерном каталитическом центре:

иГе (НзО) ■-- ие 5,--

^оОН

н

v^ и ш

LFe С --- LFe ОН + ROH

ОН

Образование пероксидных интермедиатов в подобных системах наблюдалось ранее спектрально. Стереоспепифическое гищроксилировшие алканов и отсутствие влияния О? исключают участие гндрокс ильных радикалов, которые могли бы образоваться в результате гомолитического распада пероксидного интермедиата:

FeIMOOH --Fe^O + ОН".

Гетеролиз связи О-О и пероксидном интермедиа! с усиливается протонированием тер м и н ал ь но го атома О пероксо-Группы, которое осуществляется внутри молекулярно за счет Н-связывапия с соседней молекулой воды. Кислотность этой воды увеличена благодаря координации к иону Fe;!l. Последующий гетеролиз связи 0-0 облегчается отщеплением молекулы воды с образованием феррильного интермедиата.

Рис. 5. Спектр (а) и кинетика (б) образования и распада ал кил пероксидного

интермедиата

С этими комплексами не удалось наблюдать образование интермедиата РсООН, вероятно, из-за его очень короткого времени жизни. Однако мы

наблюдали образование алкилпероксидного интермедиата с \nax ~ 578 нм при обработке комплекса 9 пятью эквивалентами t-BuOOH в CH3CN при —40°С (рис 5, а) Этот интермедиат распадается в соответствии с кинетическим законом первого порядка (рис 5, б) Эффективная константа скорости этого распада найдена графически kj = 0 0015 с"1 (-40°С) и очень близка к найденным для [(tpa)FeOOH]2+, kd = 0 002 с1 (-45°С) и для [(tpa)FeOOBu-t]2+, kd = 0 004 с"1 (-30°С) Это подтверждает возможность образования интермедиата Fe-OOH во время катализа комплексом 9

Таким образом, синтезирован лиганд, содержащий карбоксамидную функцию, и на его основе получены комплексы Fe(II) и Fe(III), охарактеризованные элементным анализом, спектроскопическими методами и рентгеноструктурным анализом Предложены новые катализаторы, позволяющие осуществлять стереоспецифическое окисление алканов, при этом комплекс 9 состава 1 1 оказался наиболее эффективным из известных катализаторов стереоспецифического окисления алканов пероксидом водорода Это первые комплексы, моделирующие Ы,Ы,0-фасиальную триаду моноядерных негемовых оксигеназ

Пока еще редкие каталитические системы такого типа, то есть, обладающие способностью к стереоспецифическому гидроксилированию алканов и включающие пероксидный и феррильный интермедиаты в негемовом окружении, могут рассматриваться как структурно-функциональные модели моноядерных негемовых оксигеназ и как предшественники функциональных моделей биядерного активного центра метанмонооксигеназы

В пятой главе описано исследование каталитической активности ранее охарактеризованных биядерных комплексов железа с каркасным лигандом 2,6-ди(3-(ди(2-пиридилметил)амино)пропокси)бензоатом (L1) и одного нового

лигандом - 2,6-бмс-{3-[Ы,Ы-ди(2-пиридилметил)амино]этокси}бензоатом (L2), охарактеризованного в этой работе Основной задачей было проверить стереоспецифичность окисления алканов при катализе этими комплексами и составить общее представление о механизме процесса Согласно рентгеноструктурным данным комплексы [{Fe2(ix-0)(Ll)(ii-02CC6H5)}2](C10,)4 (12), [ {Fe2(ß-0)(L1 Хд-ОгССНз) } 2](СЮ4)4 (13), [{Fe20(L1)(H20)2}2](C104)6 ЗНС104 10Н20 (16) в кристаллическом состоянии представляют собой димеры биядерных ¡х-оксокомплексов железа (III) (Рис 7) С целью получить мономерный комплекс мы синтезировали лиганд - 2,6-бис-{3-[М,М-ди(2-пиридилметил)амино]этокси}-бензойная кислота (LZH), в котором удаленность дипиколильных фрагментов

комплекса с однотипным

Рис 6 Строение биядерного центра комплексов 12 - 14 по данным рентгеноструктурного анализа, на переднем плане лабильные координационные места, занятые кислородными донорами от карбоксилата или воды

от бензоата по сравнению с Ь*Н была уменьшена на СН2-группу с каждой стороны На основе Ь Н был получен комплекс [Ре20Ь2(С6Н5С02)]2(СЮ4)4 (15), спектральные характеристики которого очень близки к характеристикам комплекса 12

Относительные энергии димера и мономера для комплексов 12 и 15 были оценены методом ММ в рамках программы НурегСЬеш5 Оказалось, что в случае комплекса 12 димер устойчивее мономера, тогда как в случае комплекса 15 с укороченными ветвями каркасного лиганда мономер был устойчивее димера. Результаты этих расчетов подтверждаются исследованием разбавленных ацетонитрильных растворов комплексов 12 и 15 методом электроспрей-ионизационной масс-спектрометрии (ЕЗТ-МБ) при микромолярных концентрациях в одинаковых условиях регистрации в масс-спектре молекулярных ионов преобладает пик димера для 12 и пик мономера для 15 (таб 3)

Таблица 3

Отношение концентраций димера и мономера (X = Ре2ОЬОВг) комплексов 12 и 15 в растворе ацетонитрила по данным ЕБТ-МБ

Комплекс ГХ214+/ГХ12+ ГХСЮЛ^/ГХСЮ^

12 15 96/4 31/69 99/1 75/25

Результаты исследования каталитической активности комплексов 12 - 15 в окислении ряда тестовых алканов. циклогексана, адамантана и цис-1,2-диметилциклогексана (ДМЦГ), представлены в табл 4 Все комплексы окисляли алканы до соответствующих спиртов и кетонов, а окисление ДМЦГ во всех случаях указывало на стереоспецифичность процесса.

Не было найдено существенных (превышающих ошибку эксперимента) различий между опытами проведенными в атмосфере аргона и на воздухе, что исключало участие 02 в этом процессе. Наибольшую активность в окислении алканов проявляет комплекс 16 с двумя лабильными молекулами воды Хотя и несколько меньшая, активность комплексов 12, 13 и 15 с бензоатом и ацетатом в качестве дополнительных лигандов подтверждает, что эти лиганды являются лабильными, благодаря возможности карбоксилатного сдвига (перехода от бидентатного к монодентатному связыванию) с образованием вакантного координационного места.

Таблица 4

Окисление алканов пероксидом водорода при катализе комплексами железа

Комплекс М Время, ч ГН2021/[М1« 420 ГН202ИМ| = 420

А/К А/К ¥,% 3°/2° ЯС, %

12 2,5 2 9*12 1 22 9 3*/2 4 4 93

13 2,5 3 22 26 6 6*/1 8 4 94

16 2,5 26 52*/1 5 22 1з7з 1 - 94

15 2,5 20 50 33 58 4 94

* - выход на израсходованный пероксид водорода

Важным элементом структурного сходства с активным центром ММО в этих комплексах является связывание двух ионов железа иммобилизованным карбоксилатным мостиком и наличие двух лабильных координационных мест, способных присоединять и обменивать моко- и бидентатные лиганды, что существенно для катализа (см рис 6)

Комплексы 12 и 15 катализируют стереоспецифическое окисление алканов пероксидом водорода преимущественно до спиртов практически с одинаковой эффективностью (таблица 4) Это указывает на независимость работы биядерного центра от его ассоциации в димер Выход на прореагировавший пероксид водорода относительно небольшой за счет побочной бимолекулярной реакции цепного распада пероксида водорода. Эта реакция замедляется при понижении концентрации Н202 в случае медленного ввода последней в реакционный сосуд, что позволяет увеличить выход на перекись до 50 и более процентов Соотношение спирт/кетон равное в среднем 3 и наблюдаемая стереоспецифичность окисления г^мс-диметилциклогексана (ДМЦГ) указывают на молекулярный механизм переноса кислородного атома Относительная активность падает в ряду лабильных лигандов Н20, PhCOO, МеСОО, что обусловлено, по-видимому, увеличением прочности связывания этих лигандов с ионом железа в этом ряду, поскольку реакция начинается с присоединения пероксида по свободной вакансии в координационной сфере железа (рис 7)

^СХ „о- ~Н9Н

<Х „о о^ ^о

RQH RH

Рис 7 Предполагаемый механизм окисления алканов на биядерном каталитическом центре

Данные предыдущих исследований не позволяли сделать вывод о том, какие же комплексы, моноядерные или биядерные, находящиеся в равновесии в каталитических растворах, являются активными в катализе переноса кислородного атома и обычно предполагался механизм для моноядерных центров Согласно данным ЕБИИЗ биядерный Ре20-центр в комплексах 12 - 15 не разрушается вплоть до микромолярных концентраций в растворе ацетонитрила благодаря прочному связыванию ионов железа каркасным полидентатным лигандом Поэтому в нашем случае можно надежно утверждать, что каталитически активными являются ц-карбоксилатмостиковые биядерные центры, подобные активным центрам ММО Это первые данные, подтверждающие активность модельных биядерных комплексов железа в стереоспецифическом окислении алканов

Мы предполагаем для катализа комплексами, в согласии с известными данными, механизм переноса атома О от пероксида водорода в связь С-Н, включающий пероксидный и феррильный интермедиаты (рис 7) Участие

феррильного интермедиата подтверждается нашим наблюдением вхождения метки в образующийся спирт (13% 180) при добавлении Н2'80 в каталитический раствор

В заключение, принимая во внимание данные работы, что комплекс 12 способен также катализировать окисление метана, хотя и с небольшим числом оборотов, мы полагаем, что эти модельные комплексы могут рассматриваться как адекватные структурно-функциональной модели ММО

В шестой главе поставлена задача проверить влияние концентрации Н202 в окислении алканов (циклогексана, адамантана, цис-1,2-диметилциклогексана) при катализе комплексами Ре(Н) с тетрадентатными азотными лигандами биспиколил-1,2-диметилэтилендиамином - [Ре(Ьртеп)(МеСМ)2](С104)2 (16), биспиколилэтилендиамином - [Ре(Ьреп)(МеСМ)2](С104)2 (17) и трипиридилкарбоксамидом - [Ре(1рсаН)(МеСН)2] 2 (С104)4 (9)

Эти комплексы были выбраны нами для детального исследования влияния пероксида из соображений их относительной простоты, наибольшей изученности и однотипности В каждом из этих комплексов четыре координационных места у железа заняты тетрадентатным пиридиновым лигандом а остающиеся два содержат легкообмениваемые молекулы ацетонитрила Оказалось, что найденные для этих комплексов закономерности справедливы и для комплексов железа с бидентатным лигандом фенантролином и для комплексов с каркасными лигандами

Мы исследовали основные характеристики катализируемого комплексами железа стереоспецифического окисления алканов пероксидом водорода степень сохранения конфигурации (&С) при окислении третичной С-Н связи в 1,2-цис-диметилциклогексане (ДМЦГ), отношение спирт/кетон (А/К) и региоселективность атаки на третичную и вторичную С-Н связи адамантана (3°/2°), а также их зависимость от концентрации пероксида водорода и природы лигандов Полученные результаты приведены в таблице 5 и на рис 8 и 9

Таблица 5

Катализ стереоспецифического окисления алканов комплексами железа (II)

комплекс (М) ГН2021/ГМ1« 10 гн2021/ "М1 = 140

А/К Ш 3°/2" КС, % А/К ТЫ 372° КС, %

|Те(Ьртеп)]2+ 13 47 22 100 28 37 0 3 8 89

Р?е(Ьреп)]2+ 37 0.4 11 100 20 49 7 97

[Те(1рсаН)]2+ 3 5 1 0 16 100 2 1 10 0 6.3 96а

'[М] [Ох]

= 1 420 1000

Для всех изученных комплексов железа и при всех концентрациях пероксида водорода найдена высокая степень сохранения конфигурации при асимметрическом атоме углерода ДМЦГ, близкая к 100 процентам (таблица 5) Как следует далее из таблицы 5, отношение А/К и региоселективность 372° уменьшаются при увеличении концентрации пероксида водорода

В связи с необходимостью учета падения концентрации пероксида водорода во времени, результаты, приведенные в таблице 5 и на рис 8 и 9, получены экстраполяцией экспериментальных величин на время 1?=0, кроме того время реакции сокращено до 0 5 ч На рис. 8 и 9 представлены данные по влиянию

концентрации Н202 на региоселективность и соотношение А/К при катализе комплексом 9 в координатах [Н202]/[М] и [М]/[Н202] Видно, что при изменении концентрации Н202 в широких пределах оба параметра плавно изменяются с изменением [Н202], стремясь к некоторым предельным величинам при [Н202] -» О или со.

региоселективности 372° от [Н202]/[М] А/К от [Н202]/[М] (1) и М]/[Н202] (1) и [М]/[Н202] (2) для комплекса 9 (2) для комплекса 9

Такая зависимость региоселективности и отношения спирт/кетон от концентрации пероксида водорода указывает на участие, по крайней мере, двух различных интермедиатов (например, феррильного и радикала НО") в реакции с алканами, соотношение между которыми зависит от концентрации Н202 Однако против участия радикалов НО" говорит высокая стереоспецифичность (-100%, табл. 5), обнаруженная в этих условиях и сохранение зависимости параметров окисления от природы лигандов

Полученные нами результаты указывают на участие, по меньшей мере, двух типов феррильных (или, более широко, металл-кислородных) интермедиатов в зависимости от концентрации Н202 Какова же природа интермедиатов в исследуемых нами системах9 Имеются многочисленные доказательства, включая спектральные наблюдения, что при низких концентрациях Н202 в ацетонитриле активным интермедиатом является феррильный комплекс Ре=0(0Н) (Р1) Интермедиат, участвующий в окислении алканов при высокой концентрации Н202, назовем его Р2, значительно более активен и, следовательно, менее селективен, чем Р1

Таблица 6

Значения параметров 3°/2° и А/К для интермедиатов Р1 и Р2,найденные экстраполяцией на [Н202] = 0 или <х>.

И Р2

3°/2° А/К 16 4 3 1

В таблице 6 приведены оценки параметров 372° и А/К для интермедиатов И и Р2, найденные из рис 8 и 9 экстраполяцией на [Н202] = 0 и оо. Согласно концепции переноса атома О, спирт должен бы быть единственным продуктом реакции с алканами. Действительно, в случае порфириновых комплексов железа А/К может быть равно 30 и выше Если принять, что Р1 образует только спирт, можно заключить, что Р2 должен включать в себя два окислительных эквивалента и, следовательно, его взаимодействие с алканом может приводить как к спирту, так и к кетону На основе этих представлений логично предположить, что Р2 мог бы образовываться при взаимодействии Р1 с Н202 Простейшей структурой для Б'2 является структура оксо-гидропероксо комплекса железа (феррилпероксидный интермедиат), в которой феррил дополнительно стабилизирован водородной связью с гидропероксидом, образуя Н-связанный металлоцикл

+ Н202 -Р< \ + Н20

ОН ООН

п и

Как видно из рис 10 на которой представлена реакционная способность Р2 с алканами, предположение о включении второго интермедиата позволяет объяснить ряд наблюдений, которым ранее давалась другая трактовка

Логично допустить, что реакция Р2, подобно П, начинается с отрыва атома водорода от молекулы алкана с образованием короткоживущего радикального интермедиата. Однако в этом интермедиате, в отличие от подобного интермедиата в случае Р1, имеются уже две возможности для рекомбинации радикала Я либо с НО-группой с образованием спирта, либо с НОО-группой с образованием алкил-гидропероксида Распад образующихся при этом комплексов дает наблюдаемые конечные продукты спирт, кетон и алкилгидропероксид, соотношение между которыми будет зависеть как от условий реакции, включая концентрацию Н202,

так и от природы лигандов и структуры комплексов

р _^ П^011 КП Объяснение образования 1ЮОН

ООН 1_ ООН ^ даже в атмосфере аргона естественно

вытекает из вышеприведенной схемы в случае предположения второго

/

р феррильного интермедиата Такое

~ХХЖ же естественное объяснение из той же

ООН

Н

\ / \

схемы находит параллельное со

спиртом образование кетона, которое

протекает по двум маршрутам путем

кон К'Ю шэон внутримолекулярного окисления спирта

п л „.в комплексе железа вторым

Рис.10 Предполагаемые реакции Р2 с

эквивалентом окислителя и путем алканами ■'

перегруппировки алкилгидропероксид-

ного комплекса

Подтверждением вышеприведенных реакций (рис 10) является то, что доля кетона больше в опытах при более высокой концентрации пероксида водорода

(те когда вклад феррил-перокеидного интермедиата выше) и падает по мере протекания реакции (т е, когда текущая концентрация Н202 уменьшается и, следовательно, уменьшается доля ¥2 по сравнению с И) Правильность схемы также подтверждается тем, что при достаточно низкой концентрации Н202 (метод шприца) не удается обнаружить образование алкилгидропероксида среди продуктов реакции, тогда как при [Н2Ог1/[М] = 420 накопление ШЭОН идет параллельно накоплению спирта и кетона (рис 11) Опыты в атмосфере аргона (таблица 7) указывают, что основная масса алкилгидропероксида происходит из [Н202] и только наиболее устойчивые третичные алкильные радикалы (как в случае адамантана) дают ощутимый вклад ИООН по реакции с 02 (табл 7) При тщательной продувке аргоном каталитического раствора до начала и на всем продолжении реакции в случае циклогексана соотношение продуктов, в том числе 1ЮОН, в пределах ошибки эксперимента то же, что и при проведении опытов на воздухе Опыты с менее летучим адамантаном позволили использовать более энергичный ток аргона, но результат практически тот же Некоторое уменьшение адамантан-1-ола в аргоне вероятно указывает на то, что примерно 20% этого спирта могли бы на воздухе образоваться с участием 02

Таблица 7

Влияние продувки аргоном на выход продуктов (ммоль/л) окисления через 0,5 ч

при [Н202]/[М] = 420

циклогексан адамантан 1,2-^ис-ДМЦГ

продукты воздух аргон продукт ы воздух аргон продукты аргон

Ол Он КООН ^продуктов н' + о2 45 2 5 0 8 7 8 0 47 24 06 77 [ 1-ол 2-ол 2-он ¡-КООН 2-НООН ^продуктов Я'+ Ог 1 7 06 04 07 03 3 7 0 1 4 06 04 05 02 3 1 6 Транс-ол цис-ол КСхон , % транс- КООН цис-КООН КСяоон, % 0 03 2 1 97 02 1 4 75

В реакции 1,2-г/ис-диметилциклогексана с Н202 при тщательном исключении молекулярного кислорода образующийся алкилгидропероксид сохраняет конфигурацию исходного углеводорода, т е реакция протекает стереоспецифически подобно образованию спирта в этой системе, а именно, внутримолекулярной рекомбинацией Я' с 'ООН в координационной сфере комплекса и этот результат, таким образом, служит прямым доказательством правильности предложенной схемы Действительно, образование алкилгидропероксида в результате радикально-цепного процесса всегда дает рацемизованный КООН Поэтому по степени сохранения конфигурации можно судить о вкладе обоих процессов

В случае фенантролиновых комплексов региоселективность 3°/2° также уменьшается при высоких концентрациях пероксида в соответствии с ожиданием

Высокая стереоспецифичносгь при катализе простыми фенантролиновыми комплексами совпадает с подобными характеристиками для моноядерных комплексов железа с тетрадентатными лигандами и подтверждает общность механизма переноса атома кислорода с участием феррильных интермедиатов независимо от природы хелатных лигандов Некоторые различия с моноядерными комплексами тетраденгатных лигандов обусловлены, по-видимому, окислительно-восстановительными свойствами фенантролиновых комплексов железа

Анализ зависимости параметров А/К и 3°/2" от концентрации пероксида водорода в случае биядерных комплексов железа с каркасными лигандами (таблица 4) не позволил сделать однозначные заключения, вероятно, вследствие меньшего интервала изменения концентраций пероксида Кроме того, для разных типов комплексов возможна различная чувствительность к концентрации пероксида вследствие различной относительной стабильности интермедиатов И и Р2 Однако, как показывают опыты, дальнейшее уменьшение общего количества пероксида при медленном введении его в реакционный раствор приводит к заметному увеличению параметров А/К и 3°/2°, подтверждая, что и в этом случае найденная закономерность сохраняется

Таким образом, изучение влияния концентрации пероксида водорода при катализе окисления алканов тремя однотипными комплексами с тетрадентатными лигандами, показало, что независимо от природы лигандов для всех этих катализаторов при изменении концентрации Н2О2 в довольно широких пределах от [Н202]/[М]«10 до [Н202]/[М] = 420 наблюдаются общие закономерности С одной стороны, при изменение концентрации пероксида водорода имеет место монотонное уменьшение параметров А/К и 3°/2°, характеризующих природу активного окислителя, и наблюдается появление в продуктах ЯООН при высоких концентрациях Н2Ог С другой стороны, во всем этом интервале изменения концентрации Н202 сохраняется стереоспецифичность окисления алканов близкая к 100 % Последнее обстоятельство, очевидно, указывает на сходную природу механизма и интермедиатов во всем изученном интервале Н202 Высокая стереоспецифичность окисления алканов характерна для процессов в координационной сфере металлокомплекса с участием феррильного интермедиата Наблюдаемое при изменении концентрации Н202 изменение параметров, характеризующих природу активного окислителя, может быть интерпретировано как участие в процессе, по меньшей мере, двух феррильных интермедиатов с различными значениями этих параметров. Стереоспецифическое образование алкилгидропероксида только при высоких концентрациях даже в атмосфере аргона, позволяет предположить, что при этих концентрациях действует второй феррильный интермедиат, имеющий строение ЬРеу=0(00Н), включение которого в процесс логично объясняет образование ЯООН без участия 02 Найденная для комплексов тетрадентатных лигандов зависимость параметров окисления от концентрации Н202 и сохранение стереоспецифичности окисления во всем интервале изменения концентраций Н2О2 справедливы также для комплексов железа с бидентатным лигандом фенантролином и для комплексов с каркасными лигандами и, по-видимому, могут рассматриваться как закономерности, общие для всех изученных групп негемовых модельных комплексов В то же время необходимо отметить, что образование феррил-пероксидного интермедиата может

происходить только в модельных химических системах, где возможно создание больших концентраций Н202, но не в нативных оксигеназах

ВЫВОДЫ

1 Проведено систематическое изучение каталитической активности трех типов комплексов железа, моделирующих активные центры негемовых оксигеназ, в реакции окисления алканов пероксидом водорода 1) комплексы с бидентатными лигандами на основе фенантролина, 2) комплексы с тетрадентатными Ы- и Т^О-лигандами и 3) комплексы с октадентатными каркасными лигандами, содержащими карбоксилатную функцию

2 Для всех трех групп синтезированных модельных комплексов установлены общие закономерности

> высокая стереоспецифичность окисления в достаточно широком интервале изменения концентраций Н202, указывающая на протекание процесса окисления в координационной сфере металлокомплекса по механизму, который включает пероксидный и феррильный интермедиаты, как в случае оксигеназ,

> уменьшение параметров А/К и 3°/2° при увеличении концентрации Н202, интерпретированное как включение в реакцию с алканами нового феррильного интермедиата - феррил-пероксидного интермедиата, образующегося при высоких концентрациях Н2О2,

> наличие в координационной сфере металлокомплекса лабильных лигандов, необходимых для проявления каталитической активности, по этим лабильным координационным местам происходит присоединение пероксида водорода и образованием пероксидного интермедиата с последующим превращением его в феррильный интермедиат, атакующий алкан

3. С целью моделирования координационного окружения железа в негемовых оксигеназах синтезирован новый тетрадентатный триподальный лиганд, содержащий карбоксамидную функцию, и на его основе получены и охарактеризованы новые комплексы железа Комплекс Ре(Н) с этим лигандом состава 1 1 оказался наиболее эффективным из известных катализаторов стереоспецифического окисления алканов пероксидом водорода

4 Синтезированы новый каркасный лиганд и тетраядерный комплекс железа на его основе, способный в растворе ацетонитрила распадаться на биядерные (х-карбоксилатные комплексы Эти модельные комплексы катализируют стереоспецифический перенос атома кислорода от пероксида водорода на С-Н-связи алканов по оксигеназному механизму, и поэтому могут рассматриваться как первые адекватные модели активного центра метанмонооксигеназы

5 Обнаружена реакция стереоспецифического гидропероксидирования алканов пероксидом водорода при катализе карбоксамидным комплексом

железа Стереоспецифическое образование ROOH только при высоких концентрациях Н202 даже в атмосфере аргона, свидетельствует в пользу того, что при этих концентрациях действует второй феррильный интермедиат LFev=0(00H), логично объясняющий образование ROOH без участия 02

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях

1 Гуткина Е А, Рубцова Т Б, Штейнман А А Синтез и каталитическое

т- II Г> III

исследование Fe - и Fe - комплексов нового полидентатного лиганда с амидным донором // Кинетика и катализ - 2003 - Т 44 - № 1 - С116

2 Гуткина Е А , Трухан В М , Штейнман А А Катализ стереоспецифического окисления алканов Ре2(^-карбоксияато)комплексами, моделирующими некоторые структурные черты активного центра метанмооксигеназы // Кинетика и катализ - 2003. - Т 44 -№ 6 - С 821

3 Tetranuclear iron(III) complexes of an octadentate pyridine-carboxylate ligand and their catalytic activity in alkane oxidation by hydrogen peroxide / Elena A Gutkina, Vladimir M Trukhan, Cortlandt G Pierpont, Shaen Mkoyan, Vladimir V Strelets, Ebbe Nordlander and Albert A Shteinman//Dalton Trans -2006 -P 492-501

4 Турицына E А., Гриценко О H, Штейнман А А Эффект концентрации пероксида водорода в стереоспецифическом окислении алканов моделями негемовых оксигеназ // Кинетика и катализ - 2007 - № 1. — С 59-65

5 Синтез новых фенантролиновых комплексов железа и их каталитическая активность в окислении алканов пероксидом водорода /О Н Гриценко, Е А Гуткина, М Шмиттель и др // Журнал неорганической химии - 2007 - № 1 -С 97 - 102

Турицына Елена Алексеевна

БИОМИМЕТИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ АЛКАНОВ ПЕРОКСИДОМ ВОДОРОДА ПРИ КАТАЛИЗЕ МОДЕЛЯМИ НЕГЕМОВЫХ ОКСИГЕНАЗ

Сдано в набор 05 09 07 Подписано в печать 06 09 07 Формат 90x60/16 Печать офсетная Гарнитура «Тайме» Объем 1,25 п л Заказ 178 Тираж 100

Подготовлено и отпечатано в типографии ИПХФ РАН 142432, г Черноголовка, Моек обл , пр-т ак Семенова, 5

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОКСИГЕНАЗЫ И ИХ ХИМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ.

1.1. Оксигеназы - биологические катализаторы окисления.

1.1.1. ЦитохромР 450.

1.1.2. 2-His-1 -COO" - оксигеназа.

1.1.3. Метанмонооксигеназа.

1.2. Химические модели негемовых оксигеназ.

1.2.1. Функциональные модели негемовых оксигеназ.

1.2.2. Структурно-функциональные модели негемовых оксигеназ.

1.2.2.1. Модели моноядерных активных центров.

1.2.2.2 Модели биядерных центров.

1.2.3. Механизм и интермедиа™ реакций переноса 0.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Очистка растворителей и углеводородов.

2.2. Синтез лигандов и комплексов.

2.3. Методика окисления.

2.4. Методы анализа.

ГЛАВА 3. СИНТЕЗ КОМПЛЕКСОВ ЖЕЛЕЗА (III) С ФЕНАНТРОЛИНОМ И

ЕГО ПРОИЗВОДНЫМИ И ИХ КАТАЛИТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ.

ГЛАВА 4. СИНТЕЗ, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И КАТАЛИТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ КОМПЛЕКСОВ ЖЕЛЕЗА(И) И

ЖЕЛЕЗА(Ш) С КАРБОКСАМИДНЫМ ЛИГАНДОМ.

ГЛАВА 5. СТРОЕНИЕ И КАТАЛИТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ

КОМПЛЕКСОВ ЖЕЛЕЗА (III) С КАРКАСНЫМИ ЛИГАНДАМИ.

ГЛАВА 6. ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ПЕРОКСИДА ВОДОРОДА НА

ОКИСЛЕНИЕ АЛКАНОВ МОДЕЛЯМИ НЕГЕМОВЫХ ОКСИГЕНАЗ.

Биомиметическое окисление алканов, катализируемое моноядерными или биядерными комплексами железа, представляет значительный интерес не только вследствие необходимости новых эффективных и селективных катализаторов функционализации алканов, но также с точки зрения познания механизма удивительных ферментов - оксигеназ, способных селективно и с высокой скоростью окислять углеводороды при обычных условиях. Несмотря на все усилия, механизм этих реакций все еще остается до конца невыясненным и необходимы всесторонние дополнительные исследования с использованием различных подходов.

Большинство оксигеназ являются металлоферментами, содержащими ионы переходных металлов, преимущественно железо или медь, роль которых сводится к активации молекулярного кислорода и понижению кинетического барьера для реакции его с углеводородами благодаря образованию реакционноспособных металл-кислородных интермедиатов. Согласно современным представлениям механизм катализа оксигеназами состоит в переносе атома кислорода от активного металл-кислородного интермедиата, образующегося в результате восстановительной активации Ог на металлоцентре М, к субстрату: м —^ М02-^ М(022") —- М(О) so + м

1 2 3

Железосодержащие оксигеназы, способные окислять алканы, разделяют на три основных типа. Это, прежде всего, широко распространенная в природе гемовая оксигеназа, цитохром Р450, содержащая в активном центре порфириновый комплекс железа (гем). Известны также две негемовые оксигеназы: моноядерная 2-His-l-COCT- оксигеназа и биядерная метанмонооксигеназа (ММО), содержащая два иона железа в активном центре.

Химические модели помогли выяснить многие вопросы механизма действия гемовых оксигеназ. Использование металл-порфириновых комплексов оказало большое влияние на развитие представлений об активном феррильном интермедиате цитохрома Р450 и путях его образования из кислородного комплекса.

Моделирование негемовых оксигеназ находится только в начале своего развития. В случае негемовых оксигеназ задача выбора модельных комплексов оказалась значительно сложнее, поскольку комплексы с простыми (моно- и бидентатными) лигандами, как правило, обладают кинетической нестабильностью в растворах, а комплексы с известными полидентатными лигандами обычно нереакционноспособны. Потребовался синтез биомиметических лигандов. Тем не менее, с помощью относительно простых негемовых комплексов удалось прояснить природу пероксидного и феррильного интермедиатов ММО, а также, продемонстрировать устойчивость феррила в негемовом окружении и его участие в стереоселективном окислении алканов.

С другой стороны, химическое моделирование, наряду с необходимостью более глубокого проникновения в сущность ферментативного катализа оксигеназами, стимулировалось и тем, что направленное оксигенирование определенной связи С-Н в алканах и других соединениях неизвестно в органической химии и в то же время крайне притягательно для нее в связи с проблемой функционализации алканов. Действительно, алканмонооксигеназы, такие как цитохром Р450 и ММО, способны эффективно катализировать энергетически трудное гидроксилирование алканов в мягких условиях с высокой селективностью. И, что еще важнее, подобные ферменты способны регио- и стереоселективно внедрять атом кислорода в неактивированные связи С-Н различных соединений в одну стадию, осуществляя, таким образом, направленный перенос атома кислорода от окислителя в С-Н-связь.

Исследования активации и биомиметического окисления алканов являются традиционным направлением Института проблем химической физики РАН в Черноголовке [1, 2]. Несколько лет назад в ИПХФ РАН впервые была обнаружена биомиметическая реакция переноса атома кислорода от пероксида водорода в С-Н связь алканов при катализе негемовыми комплексами железа, протекающая с сохранением конфигурации асимметрического атома углерода. [3]. Это исследование было продолжено в работах французских [4] и американских ученых [5, 6]. К настоящему времени известно только несколько каталитических систем такого типа, осуществляющих стереоспецифическое окисление алканов и они пока малоэффективны [5]. Кроме того, механизм реакций протекающих в этих системах недостаточно изучен. Поэтому необходим поиск новых, более совершенных систем и их исследование.

Как уже было сказано, комплексы на основе простых лигандов являются сравнительно лабильными и не могут адекватно моделировать хорошо организованную структуру активных центров ферментов. С целью получения адекватных моделей негемовых биядерных центров в ИПХФ РАН ранее были сконструированы каркасные лиганды, в которых терминальные группы были связаны с карбоксилатом, способным образовывать мостик между двумя атомами железа, и синтезированы биядерные комплексы, структурные модели ММО. Однако каталитические свойства этих комплексов не были достаточно изучены.

Актуальность проблемы. Изучение структуры и механизма действия ферментов открывает путь к созданию синтетических катализаторов по своей эффективности и селективности не уступающих ферментам.

Метан один из самых распространенных и нереакционноспособных представителей семейства насыщенных углеводородов. Однако, фермент ММО из Methylococcus capsulatus (Bath) и Methylosinus trichosporium ОВЗЬ способен окислять метан до метанола при нормальных условиях, что стимулирует химиков искать новые реакции функционализации углеводородов.

Известные в химии биядерные д-оксо-/х-карбоксилатные комплексы железа проявляют сходство с активным центром ММО. До настоящего времени синтезировано множество биядерных карбоксилат-мостиковых комплексов железа. Однако эффективные функциональные модели ММО не были получены. Одной из причин этого является кинетическая лабильность простых биядерных комплексов в условиях катализа, приводящая к разрушению биядерной структуры.

В последние годы были открыты оксигеназы, содержащие в активном центре моноядерные негемовые комплексы железа. Актуальным является получение структурных моделей этих монооксигеназ и исследование их функциональной активности.

Цель работы. Основной задачей настоящей работы было получение новых комплексов железа, моделирующих активные центры негемовых оксигеназ, и изучение каталитической активности их и некоторых ранее полученных комплексов в стереоспецифическом окислении алканов пероксидом водорода. Исследования были сосредоточены на следующих направлениях:

1 синтез новых полидентатных лигандов, включая замещенные фенантролины, тетрадентатные карбоксамидные лиганды и октадентатные бинуклеирующие каркасные лиганды.

2 Изучение комплексообразования новых лигандов с железом (III) и

II).

3 Выяснение особенностей строения полученных комплексов методом рентгеноструктурного анализа, спектральными методами и электроспрей масс-спектроскопией (ЕСМС).

4 Изучение каталитической активности комплексов железа в окислении циклогексана, адамантана и 1,2- ^ис-диметилциклогексана пероксидом водорода.

5 Получение данных о механизме путем использования тестов на механизм и попытки обнаружить пероксидные и феррильные интермедиаты в модельных системах.

Научная новизна работы. Синтезированы новые лиганды (тетрадентатный лиганд с карбоксамидным донором, декадентатный динуклеирующий каркасный лиганд с пиридин-карбоксилатным донором, фенантролиновые лиганды с липофильными заместителями) и на их основе получены биомиметические комплексы железа, состав и строение которых подтверждены элементным и спектральным анализом. Физико-химические свойства полученных комплексов исследованы методами ЭПР, ИК-, УФ-видимой спектроскопией, получены рентгеновские структуры комплексов с карбоксамидным лигандом.

Особое внимание было уделено изучению каталитической активности этих комплексов в реакции окисления алканов пероксидом водорода в мягких условиях. Большинство полученных комплексов способны катализировать селективное и стереоспецифическое окисление алканов до спиртов, что подтверждает общность механизма переноса атома О для всех этих систем независимо от лигандного окружения. Системы с карбоксамидными комплексами железа оказались наиболее эффективными из известных моделей негемовых оксигеназ в окислении алканов. С использованием биядерных комплексов железа с каркасными лигандами, сохраняющими целостность биядерного центра и его координационного окружения в каталитическом растворе, подтвержден механизм переноса О для биядерного центра, что делает эти комплексы хорошими структурно-функциональными моделями метанмонооксигеназы. При высоких концентрациях пероксида водорода обнаружена новая реакция стереоспецифического гидропероксидирования алканов комплексами железа. Этот результат подтверждает предположение об образовании и участии в реакции с алканами при высоких концентрациях пероксида водорода второго феррильного интермедиата, а именно феррил-пероксидного интермедиата.

Практическая значимость работы. Моделирование оксигеназ представляет интерес для химиков, прежде всего с точки зрения развития новых каталитических превращений, поскольку современные технологические процессы окисления углеводородов далеки от совершенства. Это одна из основных задач биомиметического катализа.

Понимание активации кислорода оксигеназами позволит прояснить общие принципы окисления углеводородов при катализе соединениями переходных металлов и разработать научные основы для биомиметического катализа окисления алканов и других соединений.

Развитие биомиметического окисление алканов дало новые возможности решения проблемы активации и функционализации С-Н связей. Практические потребности в производных алканов стимулируют поиск новых реакций для создания более эффективных процессов превращения алканов. Основные источники алканов - нефть и природный газ - используются в основном в качестве горючего и только 5% подвергаются химической переработке, причем прямая функционализация алканов составляет всего доли процента. Соответствующие природные ферментативные системы являются пока непревзойденными как в отношении скорости, так и селективности окисления алканов, поэтому биомиметический подход, то есть создание их химических аналогов, представляется особенно перспективным. Необходимо отметить также, что молекулярный кислород и пероксид водорода являются наиболее экологически чистыми окислителями. Особенно быстро в последнее время развивается использование в химической промышленности пероксида водорода.

В то же время данные, полученные на модельных системах, представляют интерес для исследователей, изучающих монооксигеназы. Действительно, ни один механизм, постулируемый для ферментных систем, не может считаться доказанным, пока не будет найдена химическая модельная система, работающая по тому же механизму.

Апробация работы. По результатам работы опубликовано 5 статей и тезисы 4-х докладов на конференциях.

1. Гуткина Е.А., Рубцова Т.Б., Штейнман А.А. Синтез и каталитическое исследование Fe11- и Fe111- комплексов нового полидентатного лиганда с амидным донором // Кинетика и катализ. - 2003. - Т. 44. - № 1. - С. 116

2. Гуткина Е.А., Трухан В.М., Штейнман А.А. Катализ стереоспецифического окисления алканов Ре2(|!-карбоксилато)-комплексами, моделирующими некоторые структурные черты активного центра метанмооксигеназы // Кинетика и катализ. - 2003. - Т.44. - № 6. -С.821

3. Tetranuclear iron(III) complexes of a new octadentate pyridine-carboxylate ligand and their catalytic activity in alkane oxidation by hydrogen peroxide / Elena A. Gutkina, Vladimir M. Trukhan, Cortlandt G. Pierpont, Shaen Mkoyan, Vladimir V. Strelets, Ebbe Nordlander and Albert A. Shteinman // Dalton Trans. - 2006. - P. 492-501.

4. Турицына E.A., Гриценко O.H., Штейнман А.А. Эффект концентрации пероксида водорода в стереоспецифическом окислении алканов моделями негемовых оксигеназ // Кинетика и катализ. - 2007. - № 1.

5. Синтез новых фенантролиновых комплексов железа и их каталитическая активность в окислении алканов пероксидом водорода /О.Н. Гриценко, Е.А. Гуткина, М. Шмиттель и др. // Журнал неорганической химии. -2007.-№1.

Результаты проведенных исследований доложены в виде стендовых докладов на международных конференциях:

1. Gritsenko O.N., Gutkina Е.А., Shteinman А.А. New Binuclear Iron (III) Complexes in the Biomimetic Alkane Oxidation // Тезисы докладов 1-ой Международной конференции по высокоорганизованным каталитическим системам, Черноголовка. - 2002. - С. 67.

2. Gutkina Е.А., Shteinman А.А. Synthesis and catalytic activity of iron complexes of new tetradentate ligand with amide donor // Тезисы докладов 5-ой Европейской конференции по бионеорганической химии, Лунд, Швеция.-2002.-С. 102.

3. Gutkina Е.А., Shteinman А.А. Structure and catalytic activity of iron carboxamide complexes: new catalysts for stereospecific alkane oxidation // Тезисы докладов международной конференции по современным направлениям в металлорганической и каталитической химии, Москва. -2003.-С.139.

4. Gutkina Е.А., Shteinman А.А. Stereospecific Alkane Oxidation Catalyzed by Fe2(/x-Carboxylato) Complexes, which Model Some of the Structural Features of the Active Center of Methane Monooxygenase // Тезисы докладов 2-ой Международной конференции по высокоорганизованным каталитическим системам, Москва. - 2004.

Работа представлялась на V (2003 г.) конкурсе молодых ученых имени С.М. Батурина в ИПХФ РАН и на ежегодных конференциях в отделе «Кинетики и катализа».

Объем и структура диссертации. Общий объем диссертации 110 страниц. Диссертация состоит из введения, 6-и глав, заключения, где сформулированы основные результаты и выводы, и списка цитируемой литературы, состоящего из 113 ссылок. В диссертации 32 рисунка, 9 таблиц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведено систематическое изучение каталитической активности трех типов комплексов железа, моделирующих активные центры негемовых оксигеназ, в реакции окисления алканов пероксидом водорода: 1) комплексы с бидентатными лигандами на основе фенантролина, 2) комплексы с тетрадентатными N- и Ы,0-лигандами и 3) комплексы с октадентатными каркасными лигандами, содержащими карбоксилатную функцию.

2. Для всех трех групп синтезированных модельных комплексов установлены общие закономерности: высокая стереоспецифичность окисления в достаточно широком интервале изменения концентраций Н2О2, указывающая на протекание процесса окисления в координационной сфере металлокомплекса по механизму, который включает пероксидный и феррильный интермедиаты, как в случае оксигеназ; уменьшение параметров А/К и 3°/2° при увеличении концентрации Н2О2, интерпретированное как включение в реакцию с алканами нового феррильного интермедиата - феррил-пероксидного интермедиата, образующегося при высоких концентрациях Н2Ог; наличие в координационной сфере металлокомплекса лабильных лигандов, необходимых для проявления каталитической активности, по этим лабильным координационным местам происходит присоединение пероксида водорода и образованием пероксидного интермедиата с последующим превращением его в феррильный интермедиат, атакующий алкан.

3. С целью моделирования координационного окружения железа в негемовых оксигеназах синтезирован новый тетрадентатный триподальный лиганд, содержащий карбоксамидную функцию, и на его основе получены и охарактеризованы новые комплексы железа.

Комплекс Fe(II) с этим лигандом состава 1:1 оказался наиболее эффективным из известных катализаторов стереоспецифического окисления алканов пероксидом водорода.

4. Синтезированы новый каркасный лиганд и тетраядерный комплекс железа на его основе, способный в растворе ацетонитрила распадаться на биядерные д-карбоксилатные комплексы. Эти модельные комплексы катализируют стереоспецифический перенос атома кислорода от пероксида водорода на С-Н-связи алканов по оксигеназному механизму, и поэтому могут рассматриваться как первые адекватные модели активного центра метанмонооксигеназы.

5. Обнаружена реакция стереоспецифического гидропероксидирования алканов пероксидом водорода при катализе карбоксамидным комплексом железа. Стереоспецифическое образование ROOH только при высоких концентрациях Н2О2 даже в атмосфере аргона, свидетельствует в пользу того, что при этих концентрациях действует второй феррильный интермедиат LFev=0(00H), логично объясняющий образование ROOH без участия 02.

1. Shilov А. Е. Metal Complexes in Biomimetic Chemical Reactions. New York: CRC Press, 1997.

2. Shilov A.E., Shteinman A.A Oxygen atom transfer into C-H bond in biological and model chemical systems. Mechanistic aspects // Acc. Chem. Res. 1999. -V. 32.- P.763-771.

3. Kulikova V.S., Gritsenko O.N., Shteinman A.A. Molecular of alkane oxidation involving binuclear iron complexes // Mendeleev Commun. -1996. P. 119 — 120.

4. Hydroxylation of alkanes catalysed by a chiral fx-oxo diferric complex: a metal-based mechanism / Y. Mekmouche, C. Duboc-Toia, S. Menage et al. // J. Mol.Catal. (A). -2000. V. 156.-№ l.-P. 85-89.

5. Chen K., Que L., Jr. Stereospecific alkane hydroxylation by non-heme iron catalysts: mechanistic evidence for an Fev = О active species // J. Am. Chem. Soc.-2001.-V. 123.-P. 6327-6337.

6. Tshuva E. Y. and Lippard S. J. Synthetic models for non-heme carboxylate-bridged diiron metalloproteins: strategies and tactics // Chem. Rev. 2004. - № 104.-P. 987- 1012.

7. Harris D., Loew G., Waskell L. Structure and Spectra of Ferrous Dioxygen and Reduced Ferrous Dioxygen Model Cytochrome P450 // J. Am. Chem. Soc. -1998.-V. 120.-P. 4308-4318.

8. Dioxygen activation at mononuclear nonheme iron active sites: enzymes, models, and intermediates / M. Costas, M. P. Mehn, M. P. Jensen et al. // Chem. Rev. 2004. - V. 104. - P.939 - 986.

9. Koehntop K.D., Emerson J.P., Que L, Jr. The 2-His-l-carboxylate fasial triad: a versatile platform for dioxigen activation by mononuclear non-heme iron (II) enzymes // J. Biol. Chem. 2005. - V. 10. - P. 87 - 93.

10. Hegg E.L., Que L., Jr. The 2- his-l-carboxylate facial triad. An emerging structural motif in mononuclear non-heme iron (II) enzymes // Eur. J. Biochem. 1997.-№ 250.-P.625-629.

11. Que L., Jr. One motif many different reactions // Nat. Struct. Biol. - 2000. - № 7. — P.l 82-184.

12. Wacken L.P. Enzyme microb tech. 2002. - V. 31. - P. 577 - 587.

13. Hausinger R.P. Fe(II)/alpha-ketoglutarate-dependent hydroxylases and related enzymes // Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol. 2004. - V. 39. - № 1. - P. 21 - 68.

14. Schofield C.J., Zhang Z. Structural and mechanistic studies on 2-oxoglutarate-dependent oxygenases and related enzymes // Curr. Opin. Struct. Biol. 1999. -V. 9. - № 6. - P. 722-731.

15. Vaillancourt F.H., Bolin J.T., Eltis L.D. Pseudomonas / Ed. Ramon J.-L. New York: Kluwer/Plenum, 2004. - P. 359 - 395.

16. Fitzpatrick P.F. Mechanism of aromatic amino acid hydroxylation // Biochemistry. 2003. - V. 42. - № 48. - P. 14083 - 14091.

17. Crystal structure of naphthalene dioxygenase: Side-on binding of dioxygen to iron / A. Karlsson, J.V. Parales, R.E. Parales et al. // Science. V. 299. - № 5609.-P. 1039- 1042.

18. Liu K.E., Lippard S. J. Advances in inorganic chemistry / Ed. Sykes A.G. San Diego, CA: Acad. Press, Inc., 1995. - V.42. - P. 263.

19. Colby J., Stirling D.I., Dalton H. The soluble methane mono-oxygenase of Methylococcus capsulatus (Bath). Its ability to oxygenate n-alkanes, n-alkenes, ethers, and alicyclic, aromatic and heterocyclic compounds // Biochem. J. -1977.-V. 165.-P.395-402.

20. Tonge G.M., Harrison D.E.F., Higgins I.J. Purification and properties of the methane mono-oxygenase enzyme system from Methylosinus trichosporium OB3b // Biochem. J. 1977. - V. 161. - P.333 - 344.

21. Woodland M.P., Dalton H. Purification and characterization of component A of the methane monooxygenase from Methylococcus capsulatus (Bath) II J. Biol. Chem. 1984. - V. 259. - P. 53 - 59.

22. Fox B.G., Dege J.E., Lipscomb J.D. Complex formation between the protein components of methane monooxygenase from Methylosinus trichosporium OB3b. Identification of sites of component interaction // J. Biol. Chem. 1991. -V. 266. - P.540 - 550.

23. X-ray absorption spectroscopic studies of the methane monooxygenase hydroxylase component from Methylosinus trichosporium OB3b / L. Shu, Y. Liu, J.D. Lipscomb et al. // J. Biol. Inorg. Chem. 1996. - V. 1. - P. 297 - 304.

24. Benson D.E., Suslik K.S., Sligar S.G. Reduced oxy intermediate observed in D251N cytochrome P450 (cam) // Biochemistry. 1997. - V. 36. - P. 5104 -5107.

25. Oxoiron porphyrin species with high-valent iron formation by solvent-dependent protonation of a peroxoiron (III) porphyrinate derivative / D. Mandon,

26. R. Weiss, M. Franke et al. // Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1989. - V. 28. - P. 1709-1711.

27. Khenkin A.M., Shteinman A.A. The mechanism of oxidation of alkanes by peroxo complexes of iron porphyrins in the presence of acylating agents: a model for activation of 02 by cytochrome P-450 // Chem. Commun. 1984. - P. 1219.

28. Critical review of rate constants for reactions of hydrated electrons. Chemical kinetic data base for combustion chemistry. Part 3: propane / G.V. Buxton, C.L. Greenstock, W.P. Helman et al. // J. Phys.Chem Ref. Data. 1988. - V.l 7. - № 2.-P. 513-886.

29. A putative nonooxygenase nimic which functions via well-disguised free radical chemistry / P.A. MacFaul, K.U. Ingold, D.D.M. Wayner et al. // J. Am. Chem. Soc. 1997. - V. 119. - P. 10594 - 10598.

30. Colussi A.J. Chemical kinetics of small organic radicals. FL: CRC Press, Boca Raton, 1988.th

31. Handbook of chemistry and physics. 77 ed. - FL: CRC Press, Boca Raton, 1990.-P. 9-63.

32. Melander L., Saunders W.H., Jr. Reaction rates of isotopic molecules. New York: Wiley-Interscience, 1980.

33. Heme-containing oxygenases / M. Sono, M.P. Roach, E.D. Coulter et al. // Chem. Rev. 1996. - V. 96. - P. 2841-2888.

34. Nesheim J.C., Lipscomb J. D. Large kinetic isotope effects in methane oxidation catalyzed by methane monooxygenase: evidence for C-H bond cleavage in a reaction cycle intermediate // Biochemistry. 1996. - V. 35. - P. 10240-10247.

35. Groves J.T. and Nemo Т.Е. Aliphatic hydroxylation catalyzed by iron porphyrin complexes // J. Am. Chem. Soc. 1983. - V. 105. - P 6243 - 6248.

36. Ingold K.U., MacFaul P.A. Biomimetic Oxidations catalyzed by transition metal complexes / B. Meunier (Ed.). London: World scientific publishing and Imperial college press, 2000. - Chapter 2.

37. Russel G.A. Deuterium-isotope effects in the autoxidation of aralkyl hydrocarbons. Mechanism of the Interaction of peroxy radicals // J. Am. Chem. Soc. 1957. - V. 79. - P. 3871 - 3877.

38. Groves J.T. Key elements of the chemistry of cytochrome P-450: The oxygen rebound mechanisms // J. Chem. Ed. 1985. - V. 62. - P. 928 - 931.

39. Bowry V.W., Ingold K.U. A radical clock investigation of microsomal cytochrome P-450 hydroxylation of hydrocarbons. Rate of oxygen rebound // J. Am. Chem. Soc. 1991. - V. 113. - P. 5699 - 5707.

40. A nonsynchronous concerted mechanism for cytochrome P-450 catalyzed hydroxylation / M. Newcomb, M.-H.L. Tadic-Biadatti, D.L. Chestney et al. // J. Am. Chem. Soc.-1995.-V. 117.-P. 12085- 12091.

41. Walling C. Fenton's reagent revisited // Acc. Chem. Res. 1975. - V. 8. - P.125 -131.

42. Карасевич Е.И., Мурадов H.3., Штейнман А.А. Низкотемпературное сопряженное окисление насыщенных углеводородов с участием солей металлов переменной валентности // Изв. АН СССР. Сер. Хим. 1974. - С. 1805.

43. Влияние среды на механизм автоокисления хлорида олова(И) в водно-органических растворителях / Ю.В. Гелетий, И.В. Захаров, Е.И. Карасевич и др. // Кинетика и катализ. 1979. - Т. 20. - С. 1124.

44. Shul'pin G.B. Metal-catalysed hydrocarbon oxidations // C.R. Chemie. 2003. -V. 6.-P. 163- 178.

45. Hydrogen peroxide oxygenation of alkanes including methane and ethane catalyzed by iron complexes in acetonitrile / Shul'pin G.B., Nizova G.V., Kozlov Y.N. et al. // Adv. Synth. Cat. 2004. - V. 346. - P. 317 - 332

46. Panov G.I., Sobolev V.I., Kharitonov A.I. The role of iron in N20 decomposition on ZSM-5 zeolite and reactivity of the surface oxygen formed // J. Mol. Catal. -1990. -№61.- P.85 97.

47. Chen K., Que L., Jr. Evidence for the participation of a high-valent iron-oxo species in stereospecific alkane hydroxylation by a nonheme iron catalyst // Chem. Commun. 1999. - P. 1375 - 1376.

48. Mechanistic tuning of hydrocarbon oxidations with H2O2, catalyzed by hexacoordinate ferrous complexex / Y. Mekmouche, S. Menage, J. Pecaute et al. // Eur. J. Inorg. Chem. 2004. - P. 3163 - 3171.

49. Shteinman A. A. The mechanism of methane and dioxygen activation in the catalytic cycle of methane monooxygenase // FEBS Lett. 1995. - V. 362. -P.5-9.

50. Armstrong W. H., Lippard S. J. (/i-Oxo)bis(jn-acetato)bis(tri-l-pyrazolylborato)diiron(III), (HBpz3)Fe0(CH3C02)2Fe(HBpZ3).: model for the binuclear iron center of hemerythrin // J. Am. Chem. Soc. 1983. - V. 105. - P. 4837-4838.

51. Weighardt K., Pohl J., Gebrt W. {(CfiH^FeH-OX-CHjCC^.2* a dinuclear iron (III) complex with a metazidohemerythrin-type structure // Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1983. - V. 22. - P. 727.

52. Kurtz D. M. Oxo- and hydroxo-bridged diiron complexes: a chemical perspective on a biological unit I I Chem. Rev. 1990. - V. 90. - P .585-606.

53. Штейнман A.A. Окисление алканов при катализе биядерными мю-оксо-мю-карбоксилато-комплексами железа (III) с бипиридилом. // Докл. АН СССР.- 1991.-V. 321.-С. 775.

54. Alkane oxidation catalyzed by ц-oxo-bridged diferric complexes a structure-reactivity correlation study / S. Menage, J. M. Vincent, C. Lambeaux et al. // Inorg. Chem. - 1993. - V. 32. - P. 4766 - 4773.

55. Alkane oxidation catalyzed by mu-oxo bridged diferric complexes: An overall mechanism / S. Menage, J. M. Vincent, C. Lambeaux et al. // J. Mol. Catal. (A). 1996.-V. 113.-P. 61 -75.

56. Гриценко О.Н., Нестеренко Г.Н., Штейнман А.А. Влияние заместителей в лиганде на окисление алканов биядерными оксомостиковыми комплексами железа // Известия АН. Сер. Хим. 1995. - № 12. - Р. 2518-2520.

57. Crystal structure analysis of a synthetic non-heme diiron-02 adduct: insight into the mechanism of oxygen activation/ Y. Dong, S. Yan, V.G. Young et al. / Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1996. - V. 35. - P.618 - 620.

58. Kim K., Lippard S.J. Structure and mossbauer spectrum of a (-l,2-peroxo)bis(-carboxylato)diiron(III) model for the peroxo intermediate in the methane monooxygenase hydroxylase reaction cycle // J. Am. Chem. Soc. 1996. - V. 118.-P. 4914-4915.

59. Characterization of a nonheme mononuclear peroxoiron (III) intermediate by UV/Vis and EPR spectroscopy and mass spectrometry / A. J. Simaan, F. Banse, P. Mialane and et al. // Eur. J. Inorg. Chem. 1999. - № 6. - P.993 - 996.

60. Costas M., Chen K., Que L., Jr. Biomimetic nonheme iron catalysts for alkane hydroxylation // Coord. Chem. Rev. 2000. - № 200-202. - P. 517 - 544.

61. Sobolev A.P., Babushkin D.E., Talsi E.P. Stability and reactivity of low-spin ferric hydroperoxo and alkylperoxo complexes with bipyridine and phenantroline ligands // J. Mol. Catal. (A). 2000. - V. 159. - P.233 - 245.

62. Que L., Jr. Oxygen activation at non-heme diiron active sites in biology: lessons from model complexes // J. Chem. Soc., Dalton Trans. -1997. P. 3933-3940.

63. MacMurdo V. L., Zheng H., Que L., Jr. Model for the cofactor formation reaction of E. Coli ribonucleotide reductase, from a diiron (II) precursor to an FeIHFeIV species via a peroxo intermediate // Inorg. Chem. 2000. - V. 39. - № 11.-P. 2254-2255.

64. Kim C., Dong Y., Que L., Jr. Modeling nonheme diiron enzymes: hydrocarbon hydroxylation and desaturation by a high-valent Fe202 diamond core // J. Am. Chem. Soc. 1997. - V. 119. - P. 3635-3636.

65. An FeIV=0 complex of a tetradentate tripodal nonheme ligand / M. H. Lim, J.-U. Rohde, A. Stubna et al. // PNAS. 2003. - V. 100. - № 3. - P. 3665 - 3670.

66. Crystallographic and spectroscopic characterization of a nonheme Fe(IV)=0 complex / J.-U. Rohde, J.-H. In, M. H. Lim et al. // Science. 2003. - V. 299. -P. 1037-1039.

67. Stereospecific alkane hydroxylation with H2O2 catalyzed by an Fe (II) TPA complex / C. Kim, K. Chen, J. Kim et al. // J. Am. Chem. Soc. 1997. - V. 119. -P. 5964-5965.

68. Sobolev A. P., Babushkin D. E., Talsi E. P. Formation of low-spin peroxoiron(III) complexes in Gif-type catalytic systems // Mendeleev Commun. 1996.-№3.-P. 33-34.

69. Катализ биядерными комплексами Fe (III) реакций окисления углеводородов гидропероксидами / О.Н. Гриценко, Г.Н. Нестеренко, B.C. Куликова и др. // Кинетика и катализ. 1997. - Т. 38. - № 5. - С. 699-706.

70. Simple one-step synthesis of 3-bromo-l,10-phenantroline and 3,8-dibromo-l,10-phenanthroline fundamental building-blocks in the design of metal-chelates / D.Tzalis, Y.Tor, S. Failla et al. // Tetrahedron Lett. - 1995. - V. 36. - № 20. - P. 3489-3490.

71. Oxidative chlorination of 1,10-phenanthroline and its derivatives by phosphorus-pentachloride in phosphoril choride / M.Yamada, Y.Nakamura, T. Hasegawa et al. // Bull. Chem. Soc Jpn. 1992. - V. 65. - № 7. - P. 2007-2009.

72. Tetranuclear iron(III) complexes of a new octadentate pyridine-carboxylate ligand and their catalytic activity in alkane oxidation by hydrogen peroxide / E.A. Gutkina, V. M. Trukhan, C.t G. Pierpont et al. // Dalton Trans. 2006. - P. 492-501.

73. Гордон А. Форд P. Спутник химика. М.: Мир, 1976. С. 167.

74. Radical chemistry of tert-butyl hydroperoxide (TBHP). Part 1. Studies of the Fein-TBHP mechanism / D.H. Barton, V.N. Le Gloahec, H. Patin et al. // New J. Chem.- 1998.-P. 559-563.

75. Штейнман A.A. Роль металл-кислородных интермедиатов в биологическом и химическом монооксигенировании алканов // Известия АН. Серия химическая. 2001. - №10. - С. 1712-1727.

76. Гуткина Е.А., Рубцова Т.Б., Штейнман А.А. Синтез и каталитическое исследование Fe11- и Fe111- комплексов нового полидентатного лиганда с амидным донором // Кинетика и катализ. 2003. - Т. 44. - № 1. - С. 116 — 121.

77. Titze C., Kaim W., Zalis S. Structural flexibility of the hydrogen-free acceptor ligand octachloro-1,10-phenanthroline in its complexes with d(10) metal ions // Inorg. Chem. 1997. - V.36. -№ 12. - P. 2505-2510.

78. Niemers E., Hiltmann, R. Pyridylalkyl-substituierte Amine // Synthesis. 1976. - № 9. - P. 593-594.

79. Rowland J. M., Olmstead M., Mascharak P. K. Syntheses, structures, and reactivity of low spin iron(III) complexes containing a single carboxamidonitrogen in a FeN5L. chromophore // Inorg. Chem. 2001. V. 40. - №12. -P.2810 — 2817.

80. Coordination chemistry of transition metal complexes of a novel pentadentate ligand / С. K. Sams, F. Somoza, I. Bernal et al. // Inorg. Chim. Acta. 2001. -V. 318.- P. 45-52.

81. Chapman R. L., Vagg K. S. Studies on the metal-amide bond. I. Metal complexes of the bis-amide tetradentate ligand N, W-bis(2'~ pyridinecarboxamide)-l,2-benzene I I Inorg. Chim. Acta. -1979. V. 33. -№2.-P. 227-234.

82. Первая структурно-функциональная модель метанмонооксигеназы / В.М.Трухан, В.В. Полухов, И.В.Сулименков и др. //Кинетика и катализ. -1998. Т. 39. - № 6. - С. 858 - 862.

83. Трухан В.М. Синтез негемовых комплексов железа структурных моделей активных центров железосодержащих ферментов: Дисс. кандидата хим. наук - Черноголовка, 2000. - 153 с.

84. Design and synthesis of new models for diiron biosites / V.M. Trukhan, O.N. Gritsenko, E. Nordlander et al. // J. Inorg.Biochem. 2000 - V. 79. - P. 41 - 46.

85. Que L., Jr. The heme paradigm revisited: alternative reaction pathways considered Introduction// J.Biol. Inorg. Chem. - 2004. - V. 9. - № 6. - P. 643.

86. Que L., Jr. The oxo/peroxo debate: a nonheme iron perspective// J.Biol. Inorg. Chem. 2004. - V. 9. - № 6. - P.684 - 690.

87. Nam W., Ryu Y. O., Song W. J. Oxidizing intermediates in cytochrome P450 model reactions // J.Biol. Inorg. Chem. 2004. - V. 9. - № 6. - P. 654 - 660.

88. Yoshizawa K., Shiota Y., Kamachi T. Mechanistic proposals for direct benzene hydroxylation over Fe-ZSM-5 zeolite // J. Phys. Chem. 2003. - V. 107. - № 41. P.l 1404- 11410.

89. Vincent J. В., Olivier-Lilley G. L., Averill, B. A. Proteins containing oxo-bridged dinuclear iron centers: a bioinorganic perspective // Chem. Rev. 1990. -V. 90. - № 8. - P. 1447 - 1467.

90. High-valent nonheme iron. Two distinct iron(IV) species derived from a common iron (II) precursor / M. P Jensen, M. Costas, R. J. H. Ho et al. // J. Am. Chem. Soc.-2005.-V. 127.-№30.-P. 10512- 10525.

91. Wang X., Li S., Jiang Y. Mechanism of H202 dismutation catalyzed by a new catalase mimic (a non-heme dibenzotetraaza14.annuiene-Fe(III) complex): A density functional theory investigation // Inorg. Chem. 2004. - V. 43. - № 20. -P. 6479-6489.

92. Catalytic sulfoxidation and epoxidation with a Mn (III) triazacorrole: Evidence for a "third oxidant" in high-valent porphyrinoid oxidations / S. H. Wang, B. S. Mandimutsira, R. Todd et al. // J. Am. Chem. Soc. 2004. - V. 126. - №.1. - P. 18-19.

93. Selective dioxygenation of cyclohexane catalysed by hydrogen peroxide and dinuclear iron (III) complexes with /x-alkoxo bridges / S. Nishino, H. Hosomi, S. Ohba et al. // J. Chem. Soc., Dalton Trans. 1999. -№ 9. - P. 1509 - 1514.

94. Hydroperoxidation of methane and other alkanes with H202 catalyzed by a dinuclear iron complex and an amino acid / G.V. Nizova, B. Krebs, G. Suss-Fink et al. // Tetrahedron. 2002. - V. 58. - № 23. - P. 9231 - 9237.

95. Bhattacharyya J., Dutta K., Mukhopadhyay S. Mechanistic studies on oxidation of hydrazine by mu-oxo diiron (III, III) complex in aqueous acidic media-proton coupled electron transfer // Dalton Trans. 2004. - № 18. - P. 2910-2917.

96. Cyfert M. Kinetics of reaction of Fe(phen)32+ with hydrogen peroxide in neutral medium // Inorg. Chim. Acta 1985. - V. 98. - № 1. - P.25-28.

97. Alkane oxygenation with H202 catalysed by FeCl3 and 2,2 -bipyridine / G.B. Shul'pin, C.C. Golfeto, G. Suss-Fink et al. // Tetrahedron Lett. 2005. - V. 46. -№27.-P. 4563-4567.

98. Catalytic oxidation with a non-heme iron complex that generates a low-spin (FeOOH)-O-III intermediate / G. Roelfes, M. Lubben, R. Hage et al. // Chem. Eur. J. 2000. - V. 6. - № 12. - P. 2152 - 2159.