《Journal of Catalysis》：Lewis acid improved catalytic oxygenation by Iron(II) complexes through dioxygen activation
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受生物酶中氢键网络激活氧气的启发，本研究通过Lewis酸模拟酶的氢键环境，促进铁(II)配合物常温下激活氧气生成铁(III)超氧物种，调控其亲电性和亲核性实现烯烃氧化与醛 deformylation的高效催化。
廖光健|王志超|吕文博|陈竹琦|王振星|尹国川
教育部能源转换与储存材料化学重点实验室，华中科技大学化学与化学工程学院材料化学与服务失效重点实验室，中国武汉珞喻路1037号，430074
摘要
在常温下利用双氧气进行催化氧化一直是化学工业中的一个长期挑战。受到氢键网络在双氧气活化及氧化还原酶催化中重要作用的启发，我们提出了一种新策略，利用路易斯酸来模拟酶促氢键网络（化学路易斯酸与酶促布朗斯特酸），从而驱动铁(II)配合物对双氧气的活化，并调节原位生成的铁(III)超氧物种的稳定性和反应性以用于催化。机理研究表明，通过静电相互作用，路易斯酸的存在可以增强铁(III)超氧物种对烯烃氧化的亲电性；同时减弱其对醛类化合物的亲核性，从而实现高效的亲电氧化。
引言
在自然界中，多种依赖铁的单加氧酶和双加氧酶能够在室温下高效地利用双氧气进行生化氧化[1]。这些氧化反应涉及一系列活性氧中间体，包括铁(III)超氧（Fe-O??）、铁(III)过氧（Fe-O?2?）、铁(III)过氧化氢（Fe-OOH）以及铁(IV)和/或铁(V)氧（Fe?/VO）[2]，它们负责一系列生物转化过程[2]。在这些氧化还原酶对双氧气的活化与催化过程中，除了血红素/非血红素铁配合物外，活性位点周围的氢键网络也在驱动活性氧的形成和转化以及调节其催化反应性方面发挥着重要作用[3]。作为铁基氧化还原酶中双氧气活化的首要中间体，铁(III)超氧物种可以进一步转化为铁(IV)和/或铁(V)氧物种，参与含血红素的P450酶和非血红素酶中的氧化反应[2][2][k]；它还可以直接参与色氨酸2,3-双加氧酶（TDO）、吲哚胺2,3-双加氧酶（IDO）和芪类化合物裂解氧化酶（SCO）的氧化反应[4]。特别是对于基于双氧气的TDO、IDO和SCO酶，机理研究表明铁(III)超氧物种参与了不同底物中C=C键的断裂，环氧物也被认为是TDO和IDO介导的L-色氨酸（Trp）吡咯环氧化的中间体[4a]。所有这些证据表明，作为双氧气活化的主要中间体，铁(III)超氧物种能够在室温下实现C=C键的氧化。然而，在化学工业中，烯烃氧化通常需要使用H?O?或烷基过氧化氢等预活化氧化剂作为氧化源（环氧乙烷的氧化除外[5][6]。当使用双氧气进行大规模工业氧化时，反应通常需要在较高温度下进行，这会导致选择性降低并浪费原材料。
尽管目前基于双氧气的仿生活化技术已经取得了很大成功[7]，但在温和条件下利用双氧气进行工业氧化的催化仍然有限[8]。主要挑战在于，虽然可以模拟氧化还原酶中金属离子（例如铁(II)）的第一配位层对双氧气活化的作用，但其第二配位层（即活性位点周围的氢键网络）在较大溶剂中难以被模拟，这使得在双氧气活化生成金属结合的超氧物种后，它无法像在TDO、IDO、SCO和SCO中那样有效地作为活性氧物种发挥作用[4]。从根本上说，氢键是金属结合的超氧物种与氢键供体之间的静电相互作用。基于这一认识，并受到我们关于路易斯酸（LA）促进氧化还原金属离子催化研究的启发[9]，我们推测LA可能能够在催化过程中模拟酶促双氧气活化中的氢键网络作用（化学路易斯酸与酶促布朗斯特酸的区别在于氢键的存在）。特别是，通过使用不同的LA来源，可以灵活控制LA的酸性，从而实现金属结合的超氧物种反应性的调节。实际上，多功能催化剂常被用作添加剂来调节异相催化中主催化剂的反应性[10]。在均相催化中，我们首次发现LA能够促进钒(IV)配合物对双氧气的活化，生成钒(V)超氧物种并提高其氢抽取的催化效率；同时，LA还能提高非血红素铁(II)配合物对TDO反应性的催化效果[11]。在这里，我们介绍了一种通过双氧气活化促进铁(II)配合物催化烯烃氧化的方法，这可能为在常温下利用双氧气进行环境友好的氧化反应提供了新的催化剂设计思路。
部分内容摘录
一般信息
烯烃、2-苯基丙醛、金属盐和路易斯酸均从Bide Pharm.商业购买，使用前无需进一步纯化。超干THF、CH?Cl?等溶剂从JK购买；DMF从中国医药化学试剂有限公司购买，并在使用前用活化4A分子筛干燥。BPMEN型（BPMEN：N,N'-二甲基-N,N'-双(2-吡啶基甲基)乙烷-1,2-二胺）配体及催化剂的合成方法详见支持信息。NMR光谱数据...
结果与讨论
在本研究中，我们使用BPMEN配体筛选了不同的非贵金属离子对双氧气活化的烯烃氧化性能。发现其铁(II)配合物是β-甲基苯乙烯氧化的最有效催化剂（表S1），随后通过修改其吡啶单元的取代基团来研究BPMEN配体骨架对铁(II)配合物中烯烃氧化的电子效应（图1），研究结果...
结论
本研究提出了一种在常温下实现双氧气活化及催化氧化的新策略，用于化学合成。类似于酶促双氧气活化中的氢键网络静电相互作用，强路易斯酸（如Al(OTf)?）的存在可以促进铁(II)配合物生成Al3?阳离子结合的铁(III)超氧物种（即LFe3?–O???Al3?）。这种静电相互作用...
CRediT作者贡献声明
廖光健：撰写 – 原始草稿、方法学研究、数据分析、形式分析。
王志超：撰写 – 审稿与编辑。
吕文博：撰写 – 审稿与编辑。
陈竹琦：撰写 – 审稿与编辑、指导。
王振星：撰写 – 审稿与编辑、指导。
尹国川：撰写 – 审稿与编辑、指导、资源协调、项目管理、资金争取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：22172056）的支持，NMR和GC-MS分析工作在华中科技大学分析测试中心完成。
