Краткий план подхода к выявлению промежуточов и установлению механизма окисления органики кислородом в присутствии переходного металла.
1. Быстрая проверка и контрольные эксперименты
- Сравнить реакции: с катализатором / без / с инактивированным (ингибитор, координация) и при инертной атмосфере. Это покажет, требует ли реакция металл и O2.
2. Анализ продуктов и стехиометрии
- GC-MS/LC-MS/HRMS, NMR для идентификации конечных продуктов и малых побочных веществ.
- Определить отношение превращённой субстраты к поглощённому O2 (стехиометрия).
3. Кинетика и закон скорости
- Измерить начальные скорости при варьировании концентраций катализатора, субстрата и O2, получить порядок по каждому компоненту и общий закон скорости, например
$\text{rate}=k[\mathrm{Cat}{]}^a[\mathrm{Sub}{]}^b[{\mathrm{O}}_2{]}^c$.
- Построить зависимость скорости от температуры; определить $E_a$ (Аррениус) и $\Delta H^{‡},\Delta S^{‡}$ (Эйринг):
$\ln k=-\frac{E_a}{RT}+\ln A$,
$\ln \left(\frac{k}{T}\right)=-\frac{\Delta H^{‡}}{R}\frac{1}{T}+\ln \left(\frac{k_B}{h}\right)+\frac{\Delta S^{‡}}{R}.$
4. Изотопные и перекрёстные эксперименты
- Использовать ${}^{18}$O${}_2$ и/или H${}_2^{18}$O и смотреть инкорпорацию изотопа в продукты (смещение масс в MS на +2 за одно ${}^{18}$O).
- KIE с дейтерированными субстратами: $KIE=k_H/k_D$ — большой KIE ($>3$) указывает на разрыв C–H в ветеобразующем шаге.
5. Ловушки и радикальные пробы
- Добавлять радикальные скаперы (TEMPO, BHT) и радикальные часы; подавление реакции или образование продуктов часов укажет на радикальный путь.
- Использовать радикальные ловушки и анализ продуктов ловли.
6. Спектроскопическая идентификация металлических и кислородных промежуточов
- EPR / spin-trap EPR — детектирование сверхоксидных/радикальных видов и параметров металла.
- UV-Vis (стоп-Flow) — кинетика и формирование окрашенных посредников.
- Resonance Raman / FT-IR — ν(O–O), ν(M–O) для пероксо/супероксо/оксо видов (характерные частоты помогают различать).
- XAS (XANES/EXAFS), Mössbauer (для Fe) — степень окисления/координация металла в каждой стадии.
- Freeze-quench + EPR/EXAFS для захвата кратковременных стадий.
7. Химическое моделирование промежуточов
- Получить изолированно/стохиометрически синтезировать предполагаемые комплексы (M–O2, M–OOH, M=O) и проверить их реакционную способность к субстрату и спектры.
8. Компьютерная поддержка
- DFT/квант. расчёты энергетической профилизации, переходных состояний, спектральных характеристик; сопоставление с опытными данными для подтверждения механистической последовательности.
9. Сводный анализ и проверка гипотезы
- Скомбинировать данные: закон скорости, KIE, источник кислорода, эффекты радикальных ловушек, спектры и вычисления — построить минимально достаточный механизм (последовательность стадий и кратность).
- Проверить прогнозы механизма дополнительными экспериментами (например, изменение лигандного поля, редокс-потенциала, изменение O2 давления) — механистические модели должны предсказывать изменения в скорости/продуктах.
Ключевые признаки интерпретации
- Сопоставление источника кислорода (O2 vs вода), результат ${}^{18}$O маркировки.
- Большой первичный KIE → включение разрыва C–H в РС.
- Порядок по O2 и по катализатору → указывает, лимитирует ли образование M–O2 комплекса или превращение его в активный вид.
- Наличие спектральных сигналов M–O2 / M=O / свободных радикалов — прямые доказательства промежуточов.
Используя эту последовательность экспериментов + вычисления, вы последовательно идентифицируете реальные промежуточы и построите проверяемый механизм.