Download - Two-State Reactivity in the Rebound Step of Alkane Hydroxylation by Cytochrome P-450: Origins of Free Radicals with Finite Lifetimes

Transcript
Page 1: Two-State Reactivity in the Rebound Step of Alkane Hydroxylation by Cytochrome P-450: Origins of Free Radicals with Finite Lifetimes

�������������

������ ���� ��� � � ����� ��� ��� �� � ���� �� ����� ����� ������� ��������� !!! !�"!�!#$$%!!%$���� !!$ & �"��!'��!%! !!$

������� ��� � �� � �� ������ ��� ������ ��������� �� �� ��������� �� !�"#� $ �% �� &� �� ��% � �� & � � ' �� �%((��(��� �����)� *�����( ������ +�,���� -���(�.�-���/��) 0������� ��1 *�)�� *���23

4�2��� �51��65��(���7�8 �5 ,5(�,����� 9���! :�)�) (��(����;��� ��,����)(�, <=�)(���)� >�� ,��)��)=) ����=�1 ��,�����)�� *,���� ��7 8 ��.��.�) �51����� ��)(��,(��� ?��� (��

*,���� �� *,����(�, ��:��)��(�(��� �? (�� ����=�1 ��,����)��

��2��� @A�B �� )(�: @�B� ?����C�1 �5 �51��65� ����=�1 ��(�(�� ��1�,�� (� ������(� (�� ?����, D ��,���� ,��:��6� �� )(�:@�B� >�� ����=�1 ��,����)� ��) �����1 )=::��( ?���?��1���) �? ���������1 ��,���� :��1=,()� C��,� ��1�,�(� (��:��)��,� �? � ?��� ��1�,�� C�(� � ?���(� ��?�(����7$8 -=�(���)=::��( ��) ��,��(�5 ���� :��.�1�1 �5 (�� 2���(�, �)�(�:��??�,( @E�B ���)=�����() �? �����,��;�� F���) �( ���7��8

>��5 ?�=�1 (��( ?�� � ?�C )=�)(�(=(�1 ��2���)� (�� E�G) �?,5(�,����� 9���! �51��65��(��� ��� .��(=���5 �1��(�,�� (�(��)� �? � ,����):��1��� �51����� ��)(��,(��� ���,(��� �5������=(�65� ��1�,��� (�=) ��:�5��� �)�)(�=,(=��� (���)�(���)(�(�) ?�� (�� (C� :��,�))�)�7�8 �� �� �::����( ,��(��)(���,����)(�, )(=1��) �5 ��C,��� ��1 ,��C��2��)�7�8 1�)����1(� :���� (�� ��1�,�� =)��� ��2��� )=�)(��(�) (��( C�=�1 5���1=�(��?�)( ��1�,�� ,��,2)� 1� ��( ,��,=� C�(� � ?������1�,����(����1��,5H �::����( ��?�(���) ��� (�� ?�)( (� ,����):��1 (�� ���� ?������1�,�� ��(����1��(� @?�� �6��:��� �� "! ?)B�7��8

��1 ��.� �� ,������(��� C�(� ��1�:��1��(�5 ,��,2�1 �������������( ��?�(���) �? (�� ?��� ��1�,��)�7��8 >�=)� C���� (���.�1��,� ?�� ��,=�)��� �? ��1�,��) �) )(����� (���� :��)��,� �)��.��(����)) ,��(��.��)��� ��1 ����() ��=,�1�(����

>�� ������ �? (�� ��1�,��) �� (�� ����=�1 :��,�)) �) (�� 2�5�))=� �11��))�1 �� (��) ,���=��,�(���� 0=� �::���,� (�(�,2�� (��) <=�)(���� �) (� =)� 1��)�(5 ?=�,(����� ,��,=��(���) (��),��(��� C��(��� (�� �5:�(��(�,�� ����=�1 :��,�)) �� )(�:@�B �? *,���� �� ��.��.�) � ������� C��,� C�=�1 ��1�C (��

�? (�� ���4, ���=: ����C) (��� (� �,,=:5 (����) ��1 * ��,�@-��=�� $�B� �� (��) ,�)�� (�� $�0� ���=: �( ��) �) ����,(�)5���(�1� �) �) �,(=���5 ��)��.�1� 0� (�� ,��(���5� ���4,1���.�(�.�) �? ��)=���) ,�� ��( �1�:( (�� )=::�����(��5��(���,(��� �( (�� * �� ��� ��,�� ��)(��1� ��65��)�����4, ��5�1�:( �� ��(����(�.� ���1��� �( (�� ��� ��1 * ��,� C���� �����,(�.� 0� �) :��,�1 �( ��) @-��=�� $,B� -�� ����=,�)�����4,� C��,� �) ���,(�.� �� (�� :��)��,� �? ��4� (�� �6�,5,��,��� ���=: ��5 1�)(=�� (��) ���1��� @-��=�� $1B� +����.���I=1���� ?��� (�� ������ ���,(�.�(5 �? ����=,�)� (��� ��65��)�@-��=�� ��B� � :���:����� ���1��� ��(���,(��� ��5 �6�)( ���=�1(�� ��� ���=: �? ����=,�)� ��1 ,��(���=(� (� (�� =)=�� ������(���)?�� ���,(����

�� ,��,�=)���� C� ��.� :��.�1 (��( �� �������, �4, ���=:,�����) =���(=��� ����=,�)� ��1 ��65��)� ��(� �,,�:(��)=�)(��(�) ?�� ��.��� ���������>�)�� >�� (���)?�� ���,(��� �)�����):�,�?�, �( (�� $�0� :�)�(��� ��1 )� (��) �) (�� ?��)( ����$�(���)?�� ���,(��� ?�� (��) ��;5��� >��) ?��1���� (���(��� C�(��=� :��.��=) ���)� ��.� )��C� (��( .������� =���(=�����5,�)5� ���2���) ,�� �� :��1=,�1 ��;5��(�,���5 �5 � )�������;5��� >��) ?�,( ��5 �6,��1 (�� ������� ,��,�:() �? J�����5,�)5� ��;5�� ?�� ��� ��5,�)5� ���2���K7�$8 ��1 J�������,������,������(5K7��8 (��( �6:��)) (�� ���� )=�)(��(� ��1 �����(��):�,�?�,�(5 �? ��;5�� ���,(���) �� ���)5�(��(�, :�(�C�5)�

A�,��.�1L *�:(����� �� ���� 7M��!��8A�.�)�1L F��=��5 $�� !!!

7�8 �B ����� ����� A� � ���,���� �� �,��2�C�� >� E�I���(�� ���������� )++!� ���� ���H������ ���� ��� � � ����� )++!� ��� � � D ���H�B +� +� 9��,�,� 0� ���1)��=�� ���� � ��������� ������������� )++,� ��$" D ���

7 8 E���� ��� *���� ��� A� �� �=�����)� �� ����� ���� )++!� ��� �#��" D�#����

7$8 �� ��)��1�� >� �������� � *���C���� F� >����� �� �� ���� !���)++-� ��"� �$� D �$"�

7�8 �B �� ��)��1�� >� �������� F� >����� ����#�� ��� $���� )++�� ���#!�$ D #!��H �B �� ��)��1�� >� �������� F� >����� ����#�� ��� $����)++-� ��� �!� D �!��

7�8 >� �������� �� ��)��1�� � *���C���� F� >����� �� %��� ���� )++ � "���"�� D �"�"�

7�8 � +� �2��)���)(�.� 0� *� ��.�2�.�� � 4� ����.�()2�I�� �� E�E�,��(2�.� �#�&��� �� '��� )+.,� ��(� �� D���

7"8 �� E� -�(;�����1� N� ���.��� A� +��.��� E� � ����� ��#�� �������)+/�� �(� �$ D ���

7#8 �B A� O�����=6� ���� !��� '�)� )+.+� ��� $�" D $"�H �B +���� �=� O�*:���� A� O� ����=6� ��������*+�#�� �� )++ � ��� ��$ D ����

7�8 �� E�I������ �� E�1���� >� �1�� �� ��)����(�� �#�&��� �� '���)++.� ��(� $�� D $"#�

7�!8 �B E� ���,2�����,#�+�� )++�� �(�� �#$ D �#�H �B E� ���,2����� �� ��������� )+..� (�� ���" D ���!�

7��8 � F� N�������� +� � ��.��)� E� � ����� >� 4� N�5��� F� � N���� -�������� ������� )+. � ( � $" D � �

7� 8 F� 4� �������� +� ����� 4� �� �� 9�2�� E� N��C� �� ����� ���� )++ � (�� ��!� D �����

7�$8 *� ��()=2�� F� N� �C�� �+��� %.��� !��+��� ����� )++ � �� �#$ D ����7��8 �B � � 4.�(�)�.� � �� ���1��)2��� ���!����� )++)� "� ��� D ��!H

�B F� +� N����5� /�!�� �� )++.� � � �!$ D �!"�7��8 �� 0��=�� �� ��)��1�� �� �(��� �� ����� �� +��=��� �� %��� ���� )++)�

"(� �" � D �"$��

738 9��?� *� *���2� ��� �� �����)� *� ������ ��� +� -���(�.� ��� -� 0��������:��(���( �? 0�����, �����)(�5 ��1>�� �)� +��(����+����.� ���(�� ?�� ���:=(�(����� P=��(=������)(�5�����C O��.��)�(5� ���!� F��=)���� @�)����B-�6L @��" B ���#��$������� L )�)��Q5?��(�,���=I���,���

7338 >��) ��)���,� C�) ):��)���1 �5 (�� �)����� *,���,� -�=�1�(��� @�*-B��1� �� :��(� �5 (�� ������ �)����� -�=�1�(��� @��-B� ��1 (�� �*(�?(=��� *�*� (���2) (�� �=����1( -�=�1�(��� ?�� � *����� A�)���,�4C��1� -�0� (���2) (�� O ?�� � +���� �=��� -����C)��:�

Page 2: Two-State Reactivity in the Rebound Step of Alkane Hydroxylation by Cytochrome P-450: Origins of Free Radicals with Finite Lifetimes

�������������

���� � ���� �� ����� ����� ������� ��������� !!! !�"!�!#$$%!!%$���� !!� & �"��!'��!%! ������ ���� ��� � � ����� ��� ��� ��

��1�,�� C�(� � ?���(� ��?�(���� ��1 �? )� C��( �) (�� :��,�)���(=�� �? (�� ���� D :��:�5��� )(�(� (��( �������(�) (���������R >�=)� �=� )(=15 ?�,=)�) �� ��1����� �? (�� ����=�1:��,�)) �()��?� ��1 �) ��( ����( (� �� � )(=15 �? (�� ?=���51��65��(��� ��,����)� �? � :��(�,=��� ��2����

�� � :��.��=) :�:���7�8 C� )��C�1 �5 ����) �? 1��)�(5?=�,(����� ,��,=��(���)� (��( �� � 1����,(��, ��.�������( @)=,��) �� � )��.��( �� �� � :��(��� ,�.�(5B (�� ���� D �51��6���(����1��(� � �� *,���� � ��.��.�) �� -���� @1� ,��?��=��(���B��� ��1 � ,�(��� ��1�,�� )�(=�(�1 �� (�� :��:�5���� >�� ���=�1)(�(� �? (�� ���� D �51��6� ,��:��6 C�) ?�=�1 (� �� (�� (��:��()(�(� @!� �B C�(� )����� ���,(���) �,,=:5��� (�� 15;@�3B����(�� �? (�� ���� ��1 (�� � = (5:� ����(�� �? (�� :��:�5����C��,� �) 1���,���;�1 (�C��1 (�� )=�?=��7��8 4) )��C� �� :��( @�B�? *,���� � (��) ���� D �51��6� ,��:��6 C�(� (C� =�:����1

FeIII FeIII

OH

HS LS

OH

H

H

H

dx2-y2

dz2

dxy

dxz

a2u (a')

dyz

Por•+FeIIIO

φR

R•

δ

π*

σ*

..lpO

σOR

a)

••

3e–

a2u 'Hole'

R

2e–

Closed Shell

b)

PorFeIIIOR

S = 3/2 S = 1/2

dxy

dz2

dyz

dx2-y2a2u (a')

σOR

a2u (a')dx2-y2

dyzdxz

dz2

dxy

R•

PorFeIIIOR

SH SH

*,���� � �B 0���(�� 1������) )��C��� (�� ��C�):�� ��1 �����):�� ,�=�:���� ��1�) �? (�� (��:��( ���� D �51��6� ��1 ��25� ��1�,�� ):�,��) 1=����(�� ����=�1 )(�:� �B 4� ���,(����,�=�(��� 1������ ���=)(��(��� (�� ?������ �?(�� :��:�5��� J����K�

���,(���) �� � (��:��( )�(=�(��� @!� �B ,�� ,�=:�� C�(� (�� �11���,(��� �? (�� ��1�,�� @!� �S B �� ��C�):�� @*B ��1 �����):��@�*B ������)� ��)=�(��� �� 1�=���( @!� �S B ��1 <=��(�( @!�$S B )(�(�) �? (�� ?����, D ��,���� :��1=,()� ��):�,(�.��5� >��)�(C� :��,�))�) ��� )(=1��1 ���� ��1� �) C��� �� )��C�� (����1�,�� ��) � ?���(� ��?�(��� 1=� (� � ������� �� (�� �����):��

)=�?�,�� C���� (�� ��C�):�� ,�=:���� :��,��1) (� (�� ?����, D��,���� ,��:��6 C�(� �� )����?�,��( �������� >��) ��1 (�� ):���)(�(� ����,���� ��(��7"8 ��5 C��� �� (�� ���() �? (�� �::����(,��(��.��)5 �� (�� �6:������(�� 1�(��

�5���1 @���(��� D-�,2%�->B 1��)�(5 ?=�,(����� N$�9,��,=��(���)7#8 ��� :��?����1 C�(� (�� F4�O4A $��7�8 ��1�4O**�4��#7�!8 :�,2���)� ��1 =)�1 ?�� �����(�5 �:(���;��(��� �? (�� ):�,��) �� *,���� � C�(� ��$

� �) � ��1�� ��1�,����1 �*� �) �� �6��� �����1� -����C��� (�� :��.��=) )(=157�8 � C�=)� (�� �) 4����) �??�,(�.� ,��� :�(��(��� ,�=:��1 C�(� (��1�=��� ;�(� 4� 9 ��)�) )�(7��8 ?�� ����� ��1 �� �������,(�����$�� ��)�) )�( ?�� (�� ��)( �? (�� �(��)� +���,=��� �����(���)�? ��� ):�,��) ��� ?=��5 �:(���;�1 C�(��=( ��5 )5���(�5,��)(����()�

-�� (�� ?����, D��(����� ,��:��6 - @A�+� �� *,���� �B�(�� ���=�1 )(�(� �) ?�=�1 (� �� (�� 1�=���( )(�(� @!� �S B C�(�(�� <=��(�( )(�(� @!� $S B �5��� "�� 2,������� �������7� 8 �����(���)���( ��,���� ,��:��6�) ��.� ��( �) 5�( ���� 1�(�,(�1 �� ���,����)(�, )(=15 �? (�� �51��65��(��� :��,�))� ?����, D ��,����� ,��:��6�) �? ,5(�,����� 9���! ��� ��.��(����)) 2��C��0=� ,��:=(�(����� ��)=�( �) �� �,,��1 C�(� (�� �6:������(���))������( �? (�� ���51��65,��:��� ,��:��6 @� ?����, D ���,���� ,��:��6B �? ,5(�,����� 9���!,�� �) � 1�=���(�):��,��:��6 @!� �S B�7�$8 >�� )(���� ���1���� ��1�,�(�1 �5 (�� )���(-��0 ���1 �� (�� ,��:=(�1 ?����, D��(����� ,��:��6 @)��-��=�� �B� )=���)() (��( �� ��,���� (���)���( �) ���)�������

Fe Fe Fe

Fe Fe

TS

rFeN(av) = 2.017

Cabs Creb

Alcohol Complex

S = 3/2 S = 3/2 S = 3/2

S = 3/2 S = 1/2

1.811

2.503

152.21.826

2.456

2.251

156.21.858

2.594

1.4562.462

2.491

2.108

2.278

1.465

rFeN(av) = 2.017 rFeN(av) = 2.018

rFeN(av) = 2.018 rFeN(av) = 2.018

OH

CH3

165.12.335

0.986

SH

OH

H3C 3.422

OH

H3C

SH

SH

OHH3C

OHH3C

SH

SH

-��=�� �� *(�(�����5 ):�,��) ?�� (�� ����=�1 :��,�))�

C���� (�� ��(����(�.� 1���,( 0� (���)?�� (� (�� ��25� ��1�,�� (�?��� � ?��� ��,���� ��5 �� ������(�,���5 ���� 1����1����7��8

-��� (��) :���( ��� (�� (��� ��C ):�� @*B C��� 1���(� (��1�=���( )(�(� C���� (�� (��� ���� ):�� @�*B C��� 1���(� (��<=��(�( )(�(��7� �8 >�� �* ����=�1 )(�: ��.��.�) � ,�=)(�� (��(:��,�1�) � (���)�(��� )(�(� @>*B �� ��=(� (� (�� �* ?����, D��(����� ,��:��6� >��)� )(�(�����5 ):�,��) ��� 1�:�,(�1

Page 3: Two-State Reactivity in the Rebound Step of Alkane Hydroxylation by Cytochrome P-450: Origins of Free Radicals with Finite Lifetimes

�������������

������ ���� ��� � � ����� ��� ��� �� � ���� �� ����� ����� ������� ��������� !!! !�"!�!#$$%!!%$���� !!� & �"��!'��!%! !!�

),����(�,���5 �� -��=�� � C��,� )��C) ���5 2�5 �����(��,:�����(��)� >�� ,�=)(�� ���) �) )��� (� ,����):��1 (� (��:��1=,( �? (�� �51��������)(��,(��� )(�:� A�(�(��� �? (����(�5� ���=: (� (�� �(��� )�1� �? (�� �65��� �,,=�) �( (���6:��)� �? � )���� �����5 ��,���)� @ �� 2,�������B ��1������(�) � )�,��1 ,�=)(��� ����� C��,� �) ��( � (�=� �����=��=( �) � ):�,��) �� ��=(� (� (�� ����=�1� �� ,��(��)(� (�� ���5)(�(�����5 :���( ?�=�1 �� (�� * ����=�1 �) (�� * ?����, D��(����� :��1=,(�

�,�(��� �? (�� (���)�(��� )(�(�) �� (�� �* ��1 * )=�?�,�)C�) �,���.�1 �� (C� )(�:)� -��)(� (�� �����=� �����5 �* ��1* :�(�) C��� ),����1 ����� (�� ��TTT0 ,���1���(� @�::���,� �?(�� ��$ ��1�,�� (� (�� �65��� �? (�� ���� D �51��6� ,��:��6BC�(� �) )5���(�5 ,��)(����()� -��=�� )��C) (�� �����5

-��=�� � 9�(��(��� �����5 ,=�.�) �? (�� �����):�� @�*B ��1 ��C�):�� @*B����=�1 :��,�))�) ����� (�� ��$ TTT 0 ,���1���(� @��TTT0B�

:��?���) ��(����1 ��1 �( �) �::����( (��(� C����(�� * :��?��� 1�),��1) )���(��57��8 (�C��1 (��* ?����, D��(����� ,��:��6� (�� �* )=�?�,��6����() � ������� ���� ��TTT0� � U� >�� (�=�(���)�(��� )(�(� @>*B �� (�� �* )=�?�,� @)��C�C�(� � ?����1 (������� �� -��=�� B C�) (�����,�(�1 �5 )�11���:���( �:(���;�(��� �? ��������(��, .�������) C�(� �� )5���(�5 ,���)(����()� >��) C�) ?����C�1 �5 � ,��:��(� .�����(����� ����5)�) C��,� ��.����1 (��( (���� �) ���5��� ��1� C�(� �� ��������5 ?��<=��,5 �?���"�� ,��� C��,� ,����):��1) (� (�� �6:�,(�1��1� ����� (�� ��TTT0 ���,(��� ,���1���(� (��(,����,() ���,(��() (� :��1=,()�

>���� � 1�):��5) 2�5 ?��(=��) �? (�� )(�(�����5)(�=,(=��) ����� (�� :�(�� >�� ������� ����(�.� (�(�� )�:���(�1 ?������() �) ��! 2,�������� ��1����(�.� (� (�� ���,(��( ,�=)(�� �( �) "�� 2,�����������)�1����� (�� 2��C� (��1��,5 �? 1��)�(5?=�,(�����) (� =�1���)(���(� �������)�7��8 (�� �*������� ?��(=�� ?�=�1 �� (��) C�5 �) ��( ��2��5 (��� �� ��(�?�,(� >�� �����5 )(�����;�(��� �? (�� *)=�?�,� �� (�� ������ �? (�� �* (���)�(��� )(�(�@�::��6���(��5 �" 2,������� ����(�.� (� (����)�( �( $ UB �) )����?�,��(�5 ������ (��� (���6:�,(�1 N$�9 ������7��18 >�=)� �.�� �? N$�9

�.���)(���(�) (�� * )(�(� )���C��(� � )����?�,��( ������� �))(��� =���2��5 �� (�� * )=�?�,�� �� ,����( ��C�.��� �=�� �=( �(��5 ������� �( � �=,� J�������K :�)�(��� ����� (�� ��TTT0,���1���(��

-=�(��� ��):�,(��� �? >���� � ��.���) (��( (�� �* >*:�))�))�) �����(��, :�����(��) ��(C��� (��)� �? (�� ?���5� D�51��6� ���,(��( ,��:��6� 79����-����0�8� ��1 (��)� �? (���* ?����, D��(����� ,��:��6� 79��-����@��$0�B8� >�� ):��1��)�(5 1�(� �� >���� � ?=�(��� )��C (��( (�� .�,���(5 �? (�� >*�) ,����,(���;�1 �5 �� �6(��)�.� ���,(����, ��������;�(���� ��)���� ��C ����5;� (��) ���,(����, ��������;�(���� ��1 (�����5)��C (��( (���� �) � )��:�� ���)�� ?�� (�� �* ������� ��1 (����,2 �? �� * ��������

>���� � )��C) (��( (�� �((�,2��� ��$� ��1�,�� ��1 (��

:��:�5��� ���� ��)� (���� ���(��� ):��) �� ��(� (�� �* ��1 *����=�1)� ���( ��2�) (�� 1�??����,� �) (�� ):�� 1��)�(5 �? (������� C��,� ��)�) )(��:�5 �� (�� �* :�(� @!�#� D �� B� �=(������) �))��(����5 ,��)(��( @!�#� D !�#�B ����� (�� * :�(��>�� ����(�� 1������)� :��( @�B �? *,���� � )��C (�� ������) �?(��) ��������;�(���� >�=)� ���(����5 �� (�� ?���5� D �51��6����,(��( ,��:��6 (�� � =@��B :��:�5��� ����(��7��8 �) )����5�,,=:��1� ��1 )� �) (�� ����(�� �? (�� ��25� ���=: @�:0 �) ���65��� �����:��� ����(��B� �=���� (�� ����=�1� (�� � =@��B����(�� �) ?����1 �5 �� ���,(��� ?������5 :��.�1�1 �5 (�� ��25���1�,�� A � C��,� ��C :��(�,�:�(�) �� (�� ��C�5 ?����1 �0A

����(��� ��C�.��� C���� �� (�� * :��,�)) (��) �) (�� :�����5,������ 1=���� (�� �* :��,�)) (�� ?������ �? (�� :��:�5��� )�����=)( �� �((��1�1 �5 �6,�(�(��� �? �� ���,(��� ?��� (�� 16;

����(�� (� (�� ������ �����5 @�3 (5:�B 1; ����(��� >�=)�C�����) �� (�� ���� D �51��6� ,��:��6%��$

� ,�=)(�� ��� (��=�:����1 ���,(���) ��)�1� �� ����(�.��5 ��C��5��� ����(��)� ��

>���� �� *���,(�1 �����(��, :�����(��) � 7U8� ):�� 1��)�(��) �� ��1 ����(�.� �������) ����

72,�������8 �? (�� ,��(�,�� ):�,��) ����� (�� ����=�1 :�(�C�5�

:�����(�� 79����-����0�8%��$� 79����-����0�8%��$

� >* 79��-����@��$0�B8���,(��() �* ,�=)(��7�8 �* �* *

��TTT0 � $� �# � �� ����� �����7�8

�-��0 ��# � ��#�� ��#�# ��� ��!#7,8

@��# �B718

�-��* ���! ��!$ ���� ���� � "#@ ���#B718

�-���@�.B7�8 �!�" �!�" �!�# �!�# �!�#@ �!�"B718

�-������ � !�!� � !�!� � !�!# � !��� � !�!�

���� ! � �� � ��!7?8 � ��� � �#�"� �"��7�8

���$!��� !��� !��� D !�$$ 7�8 !�!!$ !�!!!

����� !��" !�� !��� D !��$7�8 !��# !�!$ �-� !�#� !�#� ��!� D � �7�8 �� !�#�

7�8 >�� ���) ,�=)(�� )��C� �� -��=�� �� 7�8 ��0 1�)(��,�� 7,8 -� TT T 0 1�)(��,�� 718 ��(� ��:����(��)�) ��� ?�� (�� �) )(�=,(=��7�8 C��,� �) !�## 2,������� ������ (��� (�� �� )(�=,(=��@1�(� ��( �� :����(��)�)B� 7�8 >�� �.����� ���)=�����() �? ?�=� -��� 1�)(��,�)� 7?8 >��������� ����(�.� (� (�� �:(���;�1 ���,(��( �( �� )5���(�5� 7�8 ����5 �? (�� ,����):��1��� *)(�=,(=�� �( � U� 7�8 A���� �? ):�� 1��)�(5 �( ��TTT0� � D �!� U�

Page 4: Two-State Reactivity in the Rebound Step of Alkane Hydroxylation by Cytochrome P-450: Origins of Free Radicals with Finite Lifetimes

�������������

���� � ���� �� ����� ����� ������� ��������� !!! !�"!�!#$$%!!%$���� !!� & �"��!'��!%! ������ ���� ��� � � ����� ��� ��� ��

(�� �* >* ��1 �� (�� ,����):��1��� �* ?����, D ��,����,��:��6� ��� ���,(��� �) �6,�(�1 (� � ������ ��.�� �3@1; B����(�� �� ��1�� (� ,��)��.� (�� (�(�� <=��(�( ):��� >��)�11�(����� �6,�(�(��� �) �,,��:����1 �5 (�� �?������(����1��,���)� �? (�� ):�� 1��)�(5 �� (�� ����� �) C��� �) �5 �,��)�1������ ������(��� �? (�� -��0 ��1 -��* ���1 ����(�)�� (�� >* ����(�.� (� (�� ���� D �51��6� ,��:��6� ��1 (�� ��))�? ���1��� �) ����?�)(�1 �) � ������� ?�� (�� �* ����=�1:��,�))� >�=)� (�� ������� �� (�� �* :�(� ��) � )(�����(?��C��1���,(����, �������

*��,� (�� * :�(� �) ��������?���� �� .��5 ?��(� �( ,����( ��1�C� ��1�,�� ��(����1��(� C�(� � )����?�,��( ��?�(���� �? �( ���� �(?����C) (��( * �51��65��(��� C��� :��,��1 �� �� �??�,(�.��5,��,��(�1 �������7��� "� �"8 �.�� �? (�� (��I�,(��5 �? �::���,� �?(�� ?���5� D �6��� ):�,��) (� (�� A�� ��2��� C��� ��)����� ��51����� ��)(��,(��� :��,�))� 4���� (�� )��� (��I�,(��5� ����25� ��1�,�� C��� �� :��1=,�1 �� (�� �* :�(� ��1 C��� ?�,� �����=�1 �������� >�=)� �))=���� (��( (�� ��(� �? (�� ����=�1)(�: ���5) (�� 4������=) �<=�(��� C�(� (�� )��� :���6:�����(��� ?�,(�� ?�� (�� �* ��1 * :�(�C�5)� (�� :�(��(���������� �? � (� " 2,������� �� (�� �* :��?��� C��� )��C 1�C�(�� �* ����=�1 �5 ?�=� (� )�6 ��1��) �? �����(=1�� ��1 C���(�����5 ��1�C (�� ��1�,�� C�(� � )����?�,��( ��?�(���� 1=����C��,� ��1�,�� ������������( ,�� �,,=�� �� (��) 1=�� :�(�C�5),������� C���� ���������1 ��,���� �) :��1=,�1 (���=�� ���5��� )(�(� @�*B� C���� =����������1 ��,���� �) :��1=,�1 ?���(C� )(�(�) @* ��1 �*B� �::����( ��?�(���)V,��,=��(�1 ?���:��,��(���) �? ������������(V��5 �,,�)������5 �::���=������)(�,���5 )���( ��1 C��� ���� �� ,������(��� (� ,��,2�1��?�(���) �? (�� ?��� ��1�,��)� �) ��)��.�1 �5 ��C,��� �( ���7�8

4( (�� )��� (���� (�� ���)=��1 E� C��� ��?��,( � J�51�������)(��,(��� (��I�,(��5K @,����� (� (�� (C� )(�(�)B� �)1�1=,�1 �� (�� )(=15 �5 �����,��;�� F���) �( ���7�8 >�=)� (��:��:�)�1 (C��)(�(� ),������ :��.�1�) � ���)������ ��,��,�����(��� �? (�� �::����( ,��(��1�,(��� �� (�� (C� )�() �? 1�(��

>�� :��,��(��� �? ������������( C��� 1�:��1 �� (�� ���(���,��,��(��(��� �? (�� ��1�,��� �) 1�(������1 �5 (�� ����,������(�� �? (�� ���,(��� ,��:��6�) ��(C��� (�� �* ��1 *:��,�))�)�7"8 �) C��� �) �� (�� �* ����=�1 ��(�� C��,� �) )�;�1�5 (�� �* �������� >C� ?�,(��) C��� ��?�=��,� (�� �����( �? (��������� �� (�� �* ����=�1� ��1 ,�� �� 1�1=,�1 ?���*,���� � >�� ?��)( ?�,(�� �) �))�,��(�1 C�(� (�� ���,(����6,�(�(��� ?��� (�� ��C�� ��.�� 16; ����(�� (� (�� ������ �����51; @�3B ����(�� C��,� �) ��(����1��� �,��)) (�� �6��� 0�-��*�6�)� >�� )(������ (�� *����1��� �����(5 �? (�� (�����(� �����1�(�� ������ (�� 1; @�3B ����(�� �)� ��1 � ������ �* ����=�1������� �) (�� ��)=�(� *��,� �� (�� ��(=��� ��;5�� (�� (�����(������1 �) � )�1� ���=: �? (�� ��,�:)=��(��� :��(���� (�� :��(����) �6:�,(�1 (� �??�,( (�� ���1��� �����(5 �? (�� (�����(� (���=��.����(��� �� (�� :�����(5 ��1 �,�1�(5 �? �() :�,2�( �) C��� �)(���=�� )(���, ,��)(����() ?�� -��* ���1����

>�� )�,��1 ?�,(�� �? (�� ����=�1 ������� �) �))�,��(�1 C�(�(�� :��:��(��) �? (�� �((�,2��� ��1�,�� ��1 ,�� �� 1�1=,�1?��� :��( @�B �? *,���� � 4 )��:�� ���,(��� ,�=�( ��.���)(��(� ���(����5� (�� A�0 ���2��� ��.��.�) (���� ���,(���) ��1(�� :��:�5��� ��) � J����K�7��8 ��1 ��(�� (�� A�0 ���2�����,���) � (C�����,(��� A�0 ���1 ��1 (�� :��:�5��� �((���)� ,��)�1 )����� >�=)� (�� ���,(��� (��( ?���) (�� :��:�5���J����K �������(�) �� (�� �6(�� ���,(��� �? (�� A�0 ���2��� ��1

�) ?������5 (���)?����1 ?��� (�� ���,(��:�)�(�.� ��25� ��1�,������)�<=��(�5� (�� �* ����=�1 :��,�)) ��.��.�) ,��,���(��(��5 �� A�0 ���1 ?����(��� ��1 �� ���,(��� )��?( @?��� A � (�9����B� �( ?����C) (����?��� (��( (�� :��,��(��� �? ��1�,��������������( C��� 1�:��1 �� (�� �6�1�(��� :�(��(��� �? (����1�,��� 4�� �(��� ?�,(��) ����� �<=��� (�� ��C�� (�� �6�1�(���:�(��(���� (�� )���(�� (�� (�=� ��?�(��� �? (�� ��1�,�� �� (�� �*)=�?�,� ��1 (�� ��)) ���������1 ��,���� ,�� �� �6:�,(�1� >��)(���1 �) �� ��������( C�(� ��,��( ��)��.�(���) �5 ��C,����( ��� � C�� ?�=�1 (��( �) (�� ��25� ��1�,�� ����(5 �? (��)=�)(��(�) @ ���5��,5,��:��:5� ��2���)B ��,���) � ��((�����,(��� 1����� (�� ���=�( �? ���������1 ��,���� 1�,���)�)?��� �W @?�� � .��-$ ��5� )=�)(�(=��(B 1�C� (� ��)) (��� �W?�� (�� ��)( 1���� )�(=�(��� @?�� �:���5��,5,��:��:5� �)��:��:���B�7�,8 ��.��(����))� (�� �6:������(�� ��)=�() ��� ����,��:��,�(�1 1=� (� ������������( �? ,�(����, ��(����1��(�)��1 (�� :��)��,� �? ���� (��� ��� �6�1�;��� ):�,��)�7�8

A�,��.�1L *�:(����� �� ���� 7M�$��#8A�.�)�1L ��.����� � ����

7�8 +� *���� +� 9� A��,�� � �� ��=�(��� F� �� ��C)��� ���� '�)� )++,��(� #���

7 8 �B F� >� ���.�)� �� ���� � +�� )+.!� ( � � #H �B F� >� ���.�)� �� 4�+,��=)25� �� �� ���� !��� )+/,� ��� #���

7$8 �B F� >� ���.�)� ���M� ���� �� ��������� 0�"�1 !��+��+��� -���#2���� #� ������������ �1 �1� @1�L 9� A� 0�(�; 1� +��(������B�9���=�� ��C ���2� )++!� ,��:� �H �B N� +�=����� ���� '�)� )++�� � �����H ,B �� �� ������� ��.� �+��� ���� )++,� ���� �!�

7�8 �B F� �� +��,��)(��� F� 9� �����,��;�� � 4� ������)� F� 9� F���)� �� ������ !��� )++/� ���� �!��H �B >�� 1���(�5� ������� )=�)(��(�) ����?� 7��8 C��� )=���)(�1 ��(�� (� =�1���� �� ���(��� ���,(��� (���)?�� �5(�� ?���5� D �6��� ):�,��) �? ���)���1�)� :���6�1�)� ��1 �5 � )5�(��(�,?���5� D �6��� ��1�� @�� ��(�� �� ��(������ *� -=2=;=��� F� 9� F���)�F� 9� �����,��;�� �� �� ���� !��� )++.� � �� �!"� B� >��) ,��,�=)���1��) ��(� ��C�.��� :��(��� (� (�� (��=���� .265����� ��1 ���;5� ��,����):�,��) �� ��?� 7��8� -=�(�������� ��� (�� ��1�� ?���5� D �6��� )5)(��)�=)�1 �� (�� )(=15� ��� ��((�� ���,(��� �,,�:(��) (��� (�� ,5(�,�����9���! ?���5� D �6��� ,��:��6 )� (��( (�� ��)=�() ��5 ��( :��(��� �( ���(� �6�1�(��� �5 ,5(�,����� 9���!�

7�8 �B +� ��C,���� +���� � >�1�,� �� 4� 9=((� 9� -� ����������� �� ������ !��� )++!� ���� $$� H �B +� ��C,���� +���� � >�1�,�N��1�((�� �� � ���)(��5� � *� A����()� 9� -� ����������� �� ������ !��� )++!� ���� � !#�H ,B 9� �� >�5� +� ��C,���� 9� -������������ �� �� ���� !��� )++.� � �� ""���

7�8 �B +� -���(�.� �� �����)� *� *���2� ������ ���� )+++� ���� $"$!H������ ���� ��� � � )+++� ��� $�� � >�� :�:�� )��C) (��( �� (�� ��):��)� (�� ���,(������, ?���)� 79��-�� 0�8 @!� �B ��1 79����-����0�8@!� �B ��� ����)( 1�������(�� �=( � 1����,(��, ��.�������( ��2�)79����-����0�8 @!� �B (�� ���=�1 )(�(�� >��) �) �� �,,��1 C�(����,(��,����,�� ��)=�() ��L F� >� ���.�)� M� ���))� +� E� *(���� ��������� )++ � ��� �!��� �B >�� ):�� 1��)�(5 �) �"W �� (�� :��:�5��� ��1$!W �� (�� (�����(� �����1 ?�� (�� ��1�� (�����(� =)�1 ����� >��)��1�� �) ,��)�� (� (�� ?=�� ,5)(����(� �����1 (���� ?�� �6��:��� (����$*� ��1���

7"8 *� *���2� +� -���(�.� �� *,���1��� �� *,�C��;� ���� �+�� �� )++.� ����$�

7#8 9� F� *(�.��)� -� F� ��.���� �� -� ������C)2�� +� F� -��),�� �� 0���� ����)++ � ��� ��� $�

7�8 F4�O4A $��� *,���1������ ��,�� 9��(���1� 0A� )++.� >�� :��������:��5) (�� ��)(��,(�1 �:���)���� N$�9 ��(��1�

7�!8 �4O**�4��#� ��=))���� ��,�� 9�(()�=���� 94� )++.�7��8 F� 9� ��5� �� A� ��1(� �� ���� 0���� )+.!� � � ���7� 8 �B >�� )(�(� C�(� ��6��=� ):�� @!� �S B 1�1 ��( ,��.���� �� �=�

,��,=��(���)� ��C�.��� �( �=)( �� 2�:( �� ���1 (��( C��(��� (�����=�1 )(�(� �? (�� :��1=,( ?����, D ��,���� ,��:��6 �) !� �S �� !� �S 1��) ��( ��.� ������� �� (�� ,��,�=)���) �? (��) )(=15� �) )=�����;�1

Page 5: Two-State Reactivity in the Rebound Step of Alkane Hydroxylation by Cytochrome P-450: Origins of Free Radicals with Finite Lifetimes

�������������

������ ���� ��� � � ����� ��� ��� �� � ���� �� ����� ����� ������� ��������� !!! !�"!�!#$$%!!%$���� !!" & �"��!'��!%! !!"

�� ��� �$ ������� 0���% �� �������1������ �� ���%�� ������ % �� � 2���%����� � 2������3�((�����=) +�,�2���)� C� *2�;5:,;�2�F��2=�� ��1F��� �� 9��(�)��C�,;3

���,�.����(� �((��,(�.� ��(���,(���) ��� �6(�����5 ��:���(��( ?��,�) (��( ,�� ��?�=��,� ����,=���� )��=(���� ��1 )���1�)(�(� :��:��(��)� -�� �6��:��� �51����� ���1��� �) =����=����5 (�� ��)( ��:��(��( 1���,(��� ��(������,=��� ?��,� ��1

)(�=,(=�� ������(��� ��(�? �� ���5 ,����,�� ��1 �������,��)5)(��)� +=,� ��)) �::��,��(�1 @��1 =(���;�1B ��� (�� ����(�1?��,�) (��( �6�)( ��(C��� ���.��� �(��)� 4 ,��)) �? )=,��((��,(�.� ��(���,(���) ��.� �?(�� ���� (����1 )�,��1��5���1)�7�8 �2� �51����� ���1)� (��)� ���1) ��.� )(�������,(��)(�(�, ,��:����() ��1 )��C 1���,(����� :��?����,�)�7 8

-��� (�� )�������(5 (� �51����� ���1)� �( ��) ��)� ����)=���)(�1 (��( )�,��1��5 ���1) ����( ��.� :�(��(��� ?�� (����(����� 1�)��� �? )=:������,=��� )(�=,(=��)�7$8

*�,��1��5 ���1)� :��(�,=����5 � TT T 0 ���1)� ��� � :��.�)�.�?��(=�� �? )(�=,(=��� ��������1���@���B ,����)(�5�7�8 A�,��(�5�)=,� )�,��1��5 ���1 ��(���,(���) ��.� ���� �6:���(�1 (���(��1=,� ,����� ��.�������() ���=( ��1���@���B ,��(��) ?������(��)���,(�.� �6�1�(��� ���,(���)�7�8 �� �(��� ,�)�)� )�,���1��5 ���1) ,�� �� ,�=�(��:��1=,(�.�� �� ��1�)5����;���@9��0B�� � T T T 0 ���1) 1�����(� (�� )(�=,(=�� (� )=,� ���6(��( (��( (��) �6(�����5 :�(��( ��1 ��:��(��( ������( �)�))��(����5 ��)��=��� �� ��� ������,(�.� ��1���7�8 ����(����))�(��) .���(���� J�65��� �(�� C�����=)�K ��) ?�=�1 C�1��):���1 =)� �� ,�(��5(�, �65����(��� ���,(���) �?(�� (��1�),�.����) �? �() �??�,�,5 �) � )�=�,� �? �65��� �(��) ?���6�1�(���) ,�(��5;�1 �5 ,5(�,����� 9���!7"8 ��1 �5 1�),��(�(���)�(��� ��(�� ,��:��6�)�7#8

>��=�� 2��C� ?�� �.�� �!! 5���)�7�8

)(�=,(=��� 1�(���) ?�� ��1�)5����;���V�� ��5 ������) �? (��) ,��)) �? ��(������)V��� )(��� ����(�1� ����=) ):�,(���),�:�, )(=1��) ��.� )=���)(�1 (��( ���1�)5����;��� �1�:() (�� ?��� �? � ;���;�� :��5��� @*,���� �B�7�!8 C�����5��������, =��() �? 9��0 ��� ���2�1�5 ��(������,=��� � TT T0 )�,��1��5���1)� ��(��� 9��0 �������)� ��0 )����� ���1) @ �!� UB��1 � ����0 ���1 ����� ���� �!� ��.� ���� 1�1=,�1 ?����6(��1�1 X���5 ��)��:(��� ?����)(�=,(=�� @X4-*B ����5�)�)�7�!�8 >�� (���(� )���1�)(�(� �������(��� �? (�� 9��0 ��������) �) =�1�=�(�1�5 ,�=)�1 �5 (�� )(���� ���,(��)(�(�,�((��,(���) ��(C��� (�� �::�)�(��5 ,�����1 ��1��� ��1 �65����(��) @����( ��)����,� )(�=,(=��� *,���� �B� 9��5����,��1�)5����;��� �) ��)� ��2��5 (� �� (������(�1 �5 �11�(��� �?C�(�� ��1 (�=) ��1�)5����;��� ,�� �� ?=�(��� ?���=��(�1 �)�0@9��0B���7��8 �� ��.� ��,��(�5 1�),�.���1 (��( )��=���1���.�(�.�) �? @(�)5��������1�B���;��� ��1 ��1�)5����;������ �����;�1 �? )(���� ��(����� 1�:���) ,�:���� �? ��(��1=,�������#����+�#� � T T T 0 )�,��1��5 ���1)� ?�� (�� :=�:�)� �?��:��,��� ���������+�#� � TT T � ��1 � TT T0 )�,��1��5 ���1)���� ��,��:���(�1 ��(� (��)� ��(�����)�7� 8 ��1��1� � )������,�5)(�� X���5 )(�=,(=�� ����5)�) �? (�� @(�)5���������1�B���;��� 1���.�(�.� )��C�1 (�� :��)��,� �? )����?�,��(��(������,=��� � TT T 0 )�,��1��5 ���1��� ��1 (�=) ,��?����1�=� �6:�,(�(���)� �� ��C ��.� )=,,��1�1 �� ��(������ )�����,�5)(��) )=�(���� ?�� X���5 1�??��,(��� )(=1��) �? (�� ,�����):��1��� )��=��� ��1�)5����;��� ��1 ������ ��:��( (�� ?��)(,�5)(�� )(�=,(=�� �? �� ��1�)5����;��� 1���.�(�.� 4��0 @)H4�� ��N=*0 ����B� -=�(�������� (�� ,�5)(�� )(�=,(=�� �?(�� ,����):��1��� ��15����;��� 4��0 @�B ��) ��)� ������(����1� ���:���)��) ��(C��� (��)� (C� )(�=,(=��) ��.�����(���)(��� �):�,() �? (�� ��(=�� �? ��1�)5� ��1 ��1�65���1)�

�� -��=�� � ���( ��((��) �) (�� ����.��� �? )(�(�) ��(����1 �5 (�� (C�):�� ,�=:���� ��1�) �� *,���� � �B ���)�(5 ?=�,(����� ,��,=��(���)�? ,����):��1��� ?����, DC�(�� ,��:��6�) ��.� !� �S ���=�1 )(�(� ��1� ������ �����5 !� �S )(�(�� *��L +� -���(�.� �� �����)� *� *���2� ������ !��� 0��3�� ��#��� )+++� $��H +� >� ������ �� �� ���� !���)++.� � �� �!"" � >��) �) )=::��(�1 �5 �6:������(�� �))������(� *��L�� >������� +� N�����1�� �� ���1?���� 9� +� �� E����,2� � O���,���� �� ���� !��� )++!� ���� # �$� ��C�.��� � ��,��( �6:������(����.�)(���(��� �? � ��1�� ,��:�=�1 C�(� � ):�(����5 ?�6�1 (���:����65�����1 )��C) �� !� �S ���=�1 )(�(� ��1 ��1�,�(�) (�� ���� �? (��:��(��� �� )(�����;��� (�� !� �S ���=�1 )(�(�� �) :��1�,(�1 ���(����5 �5�����) ��1 ��C� *��L �� 4�))��=�� A� N�,������ 4� *,�C������ ����� ������� ������ ���� )++.� ���� $���H ������ ���� ��� � �)++.� ��� ��#H �� �����)� �� �� ��C� �� �� ���� !��� )++-� ��"�#""��

7�$8 �� �� *� ����)���=�=� � +� ��.���� F� �� ���2���� >� � 9�=��)� ���� ���� !��� )++!� ���� � �"�

7��8 4 1���,( 0� (���)?�� ��,����)� C�=�1 ��(��� ):���)(�(� ,��))��� (�(�� !� �S )(�(� �? (�� ?�.��,���1���(� ?����, ,��:��6 @?�� �6��:��� )��L��?� 7�8B�

7��8 4�� �* 1�(� ��� ��(����1 C�(� N$�9 =)��� F4�O4A $�� @��?� 7�8B�>�� * :��?��� �) ,��,=��(�1 C�(� (�� =���)(��,(�1 N$�9 ��(��1 ���4O**�4� �# @��?� 7�!8B� -�� ,��.�����,�� (�� ;��� �? (�� �����5),��� �� -��=�� �) ,����� (� (�� * ��1 �* ,=�.�)�

7��8 �B +� -���(�.� �� >����� ���� 0���� $���� )++.� �"� ��"H �B �� N�),��*� ��;� �� 0���� ���� � )++/� ���� ����H ,B *� *2�2�.� A� 4� ������������ 0���� $���� )++/� ��� ��H 1B >�� �.����� =�1���)(���(�������� �? N$�9 @�� ��?� 7��� D ,8B ?�� ����(�1 ���,(���) ��.��.�����1�,��) �)�� 2,�������� C���� ?�� ����(�1 ���,(���) ��.��.��� 0� ��1��$ ���=:)� (�� ����� �) !�� 2,��������7��,8 -�� ���,(���) ��.��.��� -��0� ��1 � �(��)� (�� =�1���)(���(��� ����� �? (�� N$�9 ������� �)�::��6���(��5 � 2,������� ����(�.� (� �6:������(�� 1�(� ��1 ��� 2,������� ����(�.� (� (�� �4*9> ��)=�( C��,� )���) (� �.���)(���(� (����������7�"8

7�"8 +� -���(�.� *� *���2� �� 0���� ���� � )++.� �� � $#$��

738 9��?� F� �� 9��(�)��C�,;� �� +�,�2���)��:��(���( �? �����)(�5��)� ��)(��� A�)��.� O��.��)�(5�!�!! =,��1 4.��=����.����1� 0� ���!��"!"# @O*4B-�6L @��B ���$�#�$!!������ L I1:�Q:��,C�=��1=

��� � *2�;5:,;�2�F��2=���:��(���( �? �����)(�5O��.��)�(5 �? >���1�>���1�� 0� �$�!��$$�! @O*4B

7338 >��) C��2 C�) )=::��(�1 �5 (�� 1����) �? >�� 9�(����=� A�)���,�-=�1� �1����)(���1 �5 (�� 4����,�� �����,�� *�,��(5� ��1 �5 (��0��� N���1 �? A����() @?�� ?����,��� )=::��( �? (�� 0��� ��5)(��������:��, ���)��(�=�B�

*,���� �� M��;��)(�=,(=�� �? ��1�)5�����;����