Bioinspired copper and nonheme iron models for oxygen activation: unprecedented reactivities

Abstract

The oxidation of hydrocarbons is one of the most important processes in the chemical industry, and it is often related to highly toxic reagents that generate a big amount of undesired residues. In sharp contrast, oxygenase enzymes found in natural systems catalyze the oxidation of hydrocarbons in a regio- and stereoselective manner using O2 as sacrificial oxidant. These enzymes, that often contain iron and/or copper in their active site, are the source of inspiration for the development of novel methodologies to perform oxidative transformations in a more environmentally friendly way, using benign oxidants such as O2 or H2O2. In this line, bioinorganic chemistry constitutes a discipline in which chemistry, biology and even physics join with the aim of studying both the structure and reactivity of enzymes. One of the key issues to further develop more effective bioinspired catalysts is learning the basis of their performance. This doctoral dissertation is focused in the development of copper and iron-based synthetic model systems for oxygen activation.

On the first place, we have developed a novel unsymmetric ligand inspired in the unsymmetric active site of some copper-based enzymes. This ligand allows the synthesis of various heterodimetallic complexes using copper(I) and a complementary metal that react with oxygen at low temperatures giving raise to the formation of different copper-dioxygen adducts. Also in the topic of copper-based synthetic models, we have developed novel reactivity for a high valent copper(III) compound generated after reaction of the corresponding copper(I) complex and O2 at cryogenic temperatures. We have discovered that this compound is capable of ortho-hydroxylating-defluorinating aromatic carbon-fluorine bonds, which is a very challenging reaction owing to the strong bond dissociation energy associated with this bond.

In the second half of the thesis we have turned our interest towards the development of an iron-based synthetic model. Interestingly, when the ferrous complex reacts with peracids at low temperatures it generates a metastable species that is competent for the oxidation of alkanes and olefins. The spectroscopic characterization of this compound points towards a high valent oxoiron compound that has been postulated along the catalytic cycle of the oxidations mediated by nonheme iron systems even though direct detection of such species remained elusive. Thus, the results obtained during this thesis are of great relevance, because for the first time the compound responsible for the oxidation event has been trapped and kinetically interrogated. Finally, the same ferrous precursor reacts with hydrogen peroxide to form a metastable iron(III) species that is an sluggish oxidant but that it is biologically relevant in the catalytic cycle of iron oxygenases. Interestingly, the addition of acid to this compound promotes the formation of a strong oxidizing species that shows great selectivity in hydrocarbon oxidation. This reactivity pattern is reminiscent to the heterolytic O-O lysis in heme systems to form high valent oxoiron compounds

L’oxidació d’hidrocarburs és un dels processos més importants de la indústria química, i sovint està relacionada amb reactius oxidants altament tòxics i que generen grans quantitats de residus. En els sistemes naturals, en canvi, els enzims oxigenases catalitzen l’oxidació d’hidrocarburs de manera regio- i estereoselectiva utilitzant O2 com a oxidant. Aquests enzims, que sovint contenen ferro i/o coure al seu centre actiu, són la font d’inspiració per desenvolupar noves metodologies que permetin realitzar processos oxidatius de manera respectuosa amb el medi ambient utilitzant oxidants benignes com O2 o H2O2. Així doncs, la química bioninorgànica neix de la confluència entre diferents camps de la ciència, des de la biologia a la química, passant per la física, amb l’objectiu d’estudiar l’estructura i la reactivitat de determinats enzims. Sens dubte, un dels punts clau per avançar en el desenvolupament de catalitzadors bioinspirats que siguin més eficaços és aprendre les bases de funcionament dels enzims. Aquesta tesi està centrada en el desenvolupament de sistemes model per l’activació d’oxigen basats en coure i ferro.

En primer lloc, hem desenvolupat un nou sistema inspirat en el centre actiu asimètric d’alguns enzims basats en coure. Aquest lligand permet la síntesi de diferents complexos heterodinuclears mitjançant coure(I) i un metall complementari que reaccionen amb O2 a baixa temperatura donant lloc a la formació de diferents adductes coure-oxigen. A continuació, també en el camp de models de coure, hem desenvolupat nova reactivitat per un intermedi en alt estat d’oxidació format després de la reacció d’un complex dinculear de coure(I) amb O2 a -90ºC. Aquest intermedi és capaç d’hidroxilar enllaços fluor-carboni aromàtic, un procés que representa tot un repte ja que aquest és l’enllaç senzill més fort amb carboni.

La segona meitat de la tesi està centrada en el desenvolupament d’un sistema basat en ferro. Quan reacciona amb peràcids a baixa temperatura, aquest complex dóna lloc a una espècie meta-estable que és cinèticament competent per l’oxidació d’alcans i alquens. La seva caracterització espectroscòpica apunta cap a una espècie en alt estat d’oxidació que prèviament s’havia postulat en el cicle catalític de les oxidacions mediades per sistemes no hemo però que no s’havia pogut atrapar fins ara. Així doncs, aquest treball és de gran rellevància perquè per primer cop s’ha pogut estudiar amb detall l’espècie responsable de l’oxidació. Finalment, el mateix complex de ferro també reacciona amb peròxid d’hidrogen per donar lloc a la formació d’un hidroperòxid de ferro(III), típicament poc reactius però molt rellevants en el cicle catalític de les oxigenases de ferro. L’addició d’un àcid genera una espècie que no hem pogut detectar però que mostra un gran poder oxidant i una selectivitat remarcable en l’oxidació d’hidrocarburs. Aquest patró de reactivitat concorda amb el trencament heterolític de l’enllaç O-O en sistemes hemo per donar lloc a una espècie d’alta valència de tipus ferro-oxo