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研究生: 簡君仰
Chien, Chun-Yang
論文名稱: 三價鐵超氧化物之反應性、熱力學及中間體探討
Reactivity, Thermodynamic, and intermediate of Fe(III)- Superoxo Complexes
指導教授: 李位仁
Lee, Way-Zen
口試委員: 廖文峯
Liaw, Wen-Feng
魯才德
Lu, Tsai-Te
口試日期: 2021/07/13
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 化學系
Department of Chemistry
論文出版年: 2021
畢業學年度: 109
語文別: 中文
論文頁數: 71
中文關鍵詞: 鐵超氧化物鐵氫過氧化物
英文關鍵詞: iron superoxo, iron hydroperoxo
研究方法: 實驗設計法
DOI URL: http://doi.org/10.6345/NTNU202100806
論文種類: 學術論文
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  • 自然界中,細胞色素P450具有將烷類轉化成醇類的重要催化能力,在其反應機制中有許多不穩定的中間體。其中,鐵超氧化物及鐵氫過氧化物擔任極重要的角色。本研究使用實驗室先前所開發之 N3O2 五牙基 H2BDPRP,將其苯環上𝜌-位置分別置換成溴、甲基與三級丁基。將配位基去質子化後與 FeCl2 反應可生成五配位二價鐵錯合物 Fe(BDPRP)。先與氧氣反應生成鐵超氧化物Fe(BDPRP)(O2•)。此時加入三氟甲磺酸(Trifluoromethanesulfonic acid, HOTf)會反應生成鐵氫過氧化物[Fe(BDPRP)(OOH)](OTf)。利用DBU滴定所確認的pKa值與循環伏安法(cyclic voltammetry, CV)測得的氧化還原半電位可定出三價鐵氫過氧化物 Fe(BDPRP)(OOH)的鍵能及其反應性。另外透過電子順磁共振光譜儀 (Electron Paramagnetic Resonance Spectrometer, EPR)及穆斯堡爾光譜儀 (Mössbauer Spectrometer)初步證明鐵氫過氧化物之鐵中心可能為正四價高自旋S = 2的電子組態。上述研究可幫助我們更詳細地了解由氧合酶之含金屬酵素進行氧氣活化時的反應機制,及所製備之仿生化合物的反應性探討。

    In nature, cytochrome P450 possesses a very important catalytic ability of converting alkanes into alcohols. Two active intermediates, iron superoxide and iron hydroperoxide, are essential in the P450 catalytic cycle. In order to produce stable biomimetic intermediates, the N3O2 pentadentate ligand, H2BDPP, developed previously in our laboratory was modified to H2BDPRP (R = Br, Me, tBu). After deprotonation of H2BDPRP by NaH, the resulting ligands was reacted with FeCl2 forming the pentacoordinated Fe(II) complexes Fe(BDPRP).
    The Fe(III)-superoxo complexes, Fe(BDPRP)(O2•), were first generated by bubbling O2 into MeTHF solutions of Fe(BDPRP) at – 120 °C. Addition of 1 equiv of trifluoromethanesulfonic acid (HOTf) into the solution of Fe(BDPRP)(O2•) produced the Fe(IV)-hydroperoxo complexes, [Fe(BDPRP)(OOH)](OTf). If Fe(BDPRP)(O2•) reacted with TEMPOH, the Fe(III)-hydroperoxo complexes, Fe(BDPRP)(OOH), were formed. The bond energies of the OO−H bond in Fe(BDPRP)(OOH) were determined by pKa values confirmed by DBU titration and redox potential (E1/2) obtained by cyclic voltammetry. In addition, Mössbauer and EPR studies on [Fe(BDPtBuP)(OOH)](OTf) preliminary indicate the high-spin (S = 2) FeIV center. The studies described above shed light on understanding more details of the mechanism proceeded in O2 activation carried out by metallo-enzymes of oxygenases and reactivity of our model compounds.

    目錄 i 表索引 iv 圖索引 v 中文摘要 xi Abstract xii 第一章 緒論 1 第一節 研究動機與目的 1 第二節 自然界中含鐵中心之酵素 2 1-2-1 血基質含鐵酵素 2 1-2-2 非血基質含鐵酵素 5 第三節 非血基質模擬鐵超氧化物 6 第四節 非血基質模擬鐵超氧氫化物 7 第五節 血基質與非血基質模擬鐵超氧化物之O-H鍵能探討 9 第二章 實驗部分 11 第一節 實驗儀器、藥品及條件 11 2-1.1實驗儀器 11 2-1.2實驗藥品 13 2-1.3實驗條件 17 第二節 反應物製備 18 2-2.1 TEMPOH之製備 18 第三節 鐵金屬錯合物的合成 19 2-3.1二價鐵Fe(BDPRP) 錯合物之合成 ( R = Br(1), Me(2), tBu(3) ) 19 第三章 結果與討論 22 第一節 二價鐵金屬錯合物之結構與性質探討 22 3-1.1二價鐵錯合物Fe(BDPBrP) (1) 結構探討 22 3-1.2二價鐵錯合物Fe(BDPMeP) (2) 結構探討 24 3-1.3二價鐵錯合物Fe(BDPtBuP) (3) 結構探討 26 3-1.4二價鐵錯合物Fe(BDPRP) 之紫外-可見光吸收光譜與比較 28 3-1.5二價鐵錯合物Fe(BDPRP)氧化還原電位比較及探討 30 第二節 鐵超氧化物之光譜、性質與反應性探討 32 3-2.1三價鐵超氧化物之光譜探討 32 3-2.2三價鐵超氧化物之穩定性探討 34 第三節 鐵超氧化物與各種基質反應之光譜與產物特性探討 36 3-3.1三價鐵超氧化物與HOTf之反應及產物穩定性探討 36 3-3.2三價鐵超氧化物與HOTf反應之 Mössbauer 光譜鑑定 38 3-3.3三價鐵超氧化物與HOTf反應之EPR光譜鑑定 40 3-3.4三價鐵超氧化物與路易斯酸Sc(OTf)3之反應探討 43 3-3.5三價鐵超氧化物與Sc(OTf)3反應之EPR光譜鑑定 46 3-3.6三價鐵超氧化物與HOTf反應產物再與DBU之反應 49 3-3.7三價鐵超氧化物 R=tBu 之pKa 51 3-3.8三價鐵超氧化物與TFA之反應探討 52 3-3.9三價鐵超氧化物與TEMPOH之反應探討 54 3-3.10三價鐵超氧化物與TEMPOH反應之EPR光譜鑑定 56 3-3.11三價鐵氫過氧化物(R = tBu)之氧化還原電位 58 3-3.12三價鐵氫過氧化物之O-H鍵能計算 59 第四章 結論與展望 62 4-1 結論 62 4-2 未來展望 64 參考資料 65 附錄 A X-ray 單晶繞射解析結構及晶體常數 67 FEII(BDPMEP) (2) 的 X-RAY 繞射結構 69 FEII(BDPTBUP) (3) 的 X-RAY 繞射結構 71

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