在有机化学和生物化学领域，双加氧反应是重要的氧化反应之一。特别是在铁(III)含氧酶和生物模拟化合物中，活化氧气（O₂）生成的铁-氧中间体，常常被认为是氧化反应的核心。（图1）然而，虽然铁-氧中间体，如铁(III)-超氧、-过氧、-羟基过氧和-氧化物等在生物和非生物体系中的氧化反应中频繁出现，但铁(III)-过氧物种在氧化反应中的角色较少被关注。此前，研究者们主要将目光集中在铁(III)-超氧和羟基过氧物种，尤其是它们在双加氧反应中的作用。然而，近年来的研究开始揭示铁(III)-过氧中间体在催化顺式二羟基化反应中的潜在作用。这一过程在自然界的Rieske双加氧酶中有重要应用，并且在化学合成中具有广泛的应用前景。因此，揭示铁(III)-过氧中间体如何通过氧-氧键的活化来实现顺式二羟基化反应，对于我们理解这种关键反应具有重要意义。
图片来源：JACS
本研究旨在通过实验与理论相结合的方式，揭示合成的单核非血红素铁(III)-过氧中间体如何参与顺式二羟基化反应，及其氧-氧键活化的具体机制。研究者们首先通过设计并合成了不同环尺寸的TMC配体（TMC代表四甲基四氮杂环烷），例如[FeIII(O₂)(12-TMC)]+、[FeIII(O₂)(13-TMC)]+ 和[FeIII(O₂)(14-TMC)]+，并观察这些配体如何影响铁(III)-过氧物种的活性。他们发现，12-TMC环的配体显示出最高的二羟基化活性。随后，研究团队使用密度泛函理论（DFT）计算，深入探讨了铁dxz轨道向过氧σ*(O-O)轨道的电子转移如何促进氧-氧键的断裂。通过这些实验和理论分析，他们得以提出铁(III)-过氧中间体在Rieske双加氧酶中的类似机制，进一步加深了对该类酶顺式二羟基化反应的理解。
图片来源：JACS
本研究为顺式二羟基化反应的催化机制提供了新的视角，尤其是揭示了铁(III)-过氧中间体如何通过氧-氧键的同裂来实现这一关键反应。这不仅拓宽了我们对非血红素铁-氧化物化学的认识，还为合成化学中的顺式二羟基化反应提供了新的思路。具体来说，研究通过实验验证了12-TMC配体在顺式二羟基化反应中的高效性，进一步证实了配体对铁-氧物种活性的调控作用。通过理论计算，还发现Rieske双加氧酶中可能存在类似的铁(III)-过氧中间体参与的反应机制，挑战了此前认为铁(III)-超氧物种为活性中间体的假设。这样，研究不仅对生物化学领域的酶反应机制提供了启示，还为未来设计高效的非生物顺式二羟基化催化剂提供了理论依据。
标题：cis-Dihydroxylation by Synthetic Iron(III)–Peroxo Intermediates and Rieske Dioxygenases: Experimental and Theoretical Approaches Reveal the Key O–O Bond Activation Step
作者：Peng Wu,# Wenjuan Zhu,# Yanru Chen, Zikuan Wang, Akhilesh Kumar, Binju Wang,* and Wonwoo Nam*
链接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c09354
目前评论：0