Modeling hydrogen evolution from the Fe 4S 4 and Fe 8S 9X (X = N, C) Clusters. Can a Fe - S high-spin cluster serve as a surrogate for the FeMo cofactor?

Journal of Computational Chemistry

Volumn 28, Issue 11, 2007, Pages 1796-1808

  Mckee, Michael L ^a  

^a AUBURN UNIVERSITY   (United States)

Author keywords

DFT; Enzyme; H2 production; Nitrogenase; Reaction mechanism

Indexed keywords

BRIDGING SULFIDES; HYDROGEN EVOLUTION; NITROGENASE; PROTONATION-REDUCTION (PR);

AMMONIA; COMPUTER SIMULATION; EXOTHERMIC REACTIONS; HYDROGEN; IRON ALLOYS; PROTONATION;

IRON COMPOUNDS;

HYDROGEN; IRON SULFUR PROTEIN; MOLYBDENUM IRON PROTEIN;

ARTICLE; CHEMICAL STRUCTURE; CHEMISTRY; HYDROGEN BOND; THERMODYNAMICS;

HYDROGEN; HYDROGEN BONDING; IRON-SULFUR PROTEINS; MODELS, MOLECULAR; MOLYBDOFERREDOXIN; THERMODYNAMICS;

EID: 34547362359     PISSN: 01928651     EISSN: 1096987X     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/jcc.20636     Document Type: Article

References (122)

1. (a) Haber, F. Naturwissenschaften 1922, 10, 1041;
2. (b) Haber, F. Naturwissenschaften 1923, 11, 339;
3. (c) Smil, V. Enriching the Earth: Fritz Haber, Carl Bosch, and the Transformation of World Food Production; MIT Press: Cambridge, MA, 2001.
4. (a) Rees, D. C.; Tezcan, F. A.; Haynes, C. A.; Walton, M. Y.; Andrade, S.; Einsle, O.; Howard, J. B. Philos Trans R Soc Lond A 2005, 363, 971;
5. (b) Barney, B. M.; Lee, H.-I.; Dos Santos, P. C.; Hoffman, B. M.; Dean, D. R.; Seefeldt, L. C. Dalton Trans 2006, 2277;
6. (c) Peters, J. W.; Szilagyi, R. K. Curr Opin Chem Biol 2006, 10, 101;
7. (d) Hinnemann, B.; Nørskov, J. K. Top Catal 2006, 37, 55.
8. Henderson, R. A. Chem Rev 2005, 105, 2365.
9. (a) Einsle, O.; Tezcan, F. A.; Andrade, S. L. A.; Schmid, B.; Yoshida, M.; Howard, J. B.; Rees, D. C. Science 2002, 297, 1696;
10. (b) Rees, D. C.; Howard, J. B. Curr Opin Chem Biol 2000, 4, 559;
11. (c) Rees, D. C. Annu Rev Biochem 2002, 71, 221;
12. (d) Rees, D. C.; Howard, J. B. Science 2003, 300, 929;
13. (e) Corbett, M. C.; Tezcan, F. A.; Einsle, O.; Walton, M. Y.; Rees, D. C.; Latimer, M. J.; Hedman, B.; Hodgson, K. O. J Synchrotron Radiat 2005, 12, 28;
14. (f) Howard, J. B.; Rees, D. C.; PNAS 2006, 103, 17088.
15. (a) Deng, H.; Hoffmann, R. Angew Chem Int Ed Engl 1993, 32 1062;
16. (b) Siegbahn, P. E. M.; Westerberg, J.; Svensson, M.; Crabtree, R. H. J Phys Chem B 1998, 102, 1615;
17. (c) Fryzuk, M. D. Johnson, S. A. Coord Chem Rev 2000, 200-202, 379;
18. (d) Beinert H. J Biol Inorg Chem 2000, 5, 2;
19. (e) Lovell, T.; Li, J.; Liu, T. Case, D. A.; Noodleman, L. J Am Chem Soc 2001, 123, 12392
20. (f) Krahn, E.; Weiss, B. J. R.; Kröckel, M.; Groppe, J.; Henkel, G.; Cramer, S. P.; Trautwein, A. X.; Schneider, K.; Müller, A. J Biol Inorg Chem 2002, 7, 37;
21. (g) Durrant, M. C. Biochemistry 2002, 41, 13934;
22. (h) Durrant, M. C. Biochemistry 2002, 41, 13946.
23. (a) Pickett, C. J.; Vincent, K. A.; Ibrahim, S. K.; Gormal, C. A.; Smith, B. E.; Best, S. P. Chem Eur J 2003, 9, 76;
24. (b) Schimpl, J.; Petrilli, H. M.; Blöchl, P. E. J Am Chem Soc 2003, 125, 15772;
25. (c) Lee, S. C; Holm, R. H. Proc Natl Acad Sci USA 2003, 100, 3595;
26. (d) Igarashi, R. Y.; Seefeldt, L. C. Crit Rev Biochem Mol Biol 2003, 38, 351;
27. (e) Bell, J.; Dunford, A. J.; Hollis, E.; Henderson, R. A. Angew Chem Int Ed 2003, 42, 1149;
28. (f) Christian, G.; Driver, J.; Stranger, R. Faraday Discuss 2003, 124, 331.;
29. (g) Cao, Z.; Zhou, Z.; Wan, H.; Zhang, Q.; Thiel, W. Inorg Chem 2003, 42, 6986.;
30. (h) Cui, Z.; Dunford, A. J.; Durrant, M. C.; Henderson, R. A.; Smith, B. E. Inorg Chem 2003, 42, 6252;
31. (i) Benton, P. M. C.; Laryukhin, M.; Mayer, S. M.; Hoffman, B. R.; Dean, D. R.; Seefeldt, L. C. Biochemistry 2003, 42, 9102;
32. (j) Lee, H.-I.; Cameron, L. M.; Christiansen, J.; Christie, P. D.; Pollock, R. C.; Song, R.; Sørlie, M.; Orme-Johnson, W. H.; Dean, D. R.; Hales, B. J.; Hoffman, B. M. In Paramagnetic Resonance of Metallobiomolecules, ACS Symposium Series 858; Telser, J., Ed.; American Chemical Society: Washington, DC, 2003; pp. 150-178;
33. (k) Lovell, T.; Liu, T.; Case, D. A.; Noodleman, L. J Am Chem Soc 2003, 125, 8377;
34. (l) Torres, R. A.; Lovell, T.; Noodleman, L.; Case, D. A. J Am Chem Soc 2003, 125, 1923;
35. (m) Wang, X.-B.; Niu, S.; Yang, X.; Ibrahim, S. K.; Pickett, C. J.; Ichiye, T.; Wang, L.-S. J Am Chem Soc 2003, 125, 14072;
36. (n) Vrajmasu, V.; Münck, E.; Bominaar, E. L. Inorg Chem 2003, 42, 5974;
37. (o) Dance, I. Chem Commun 2003, 324;
38. (p) Hinnemann, B.; Nørskov, J. K. J Am Chem Soc 2003, 125, 1466;
39. (q) Lee, H.-I.; Benton, P. M. C.; Laryukhin, M.; Igarashi, R. Y.; Dean, D. R.; Seefeldt, L. C.; Hoffman, B. R. J Am Chem Soc 2003, 125, 5604;
40. (r) Strange, R. W.; Eady, R. R.; Lawson, D.; Hasnain, S. S. J Synchrotron Radiat 2003, 10, 71;
41. (s) Barney, B. M.; Lukoyanov, D.; Yang, T.-C.; Dean, D. R.; Hoffman, B. M.; Seefeldt, L. C. PNAS 2006, 103, 17113.
42. (a) Raymond, J.; Siefert, J. L.; Staples, C. R.; Blankenship, R. E. Mol Biol Evol 2004, 21, 541;
43. (b) Lee, S. C.; Holm, R. H. Chem Rev 2004, 104, 1135;
44. (c) Kozak, C.; Mountford, P. Angew Chem Int Ed 2004, 43, 1186;
45. (d) Gambarotta, S.; Scott, J. Angew Chem Int Ed 2004, 43, 5298;
46. (e) Lee, H.-I.; Igarashi, R. Y.; Laryukhin, M.; Doan, P. E.; Dos Santos, P. C.; Dean, D. R.; Seefeldt, L. C.; Hoffman, B. M. J Am Chem Soc 2004, 126, 9563;
47. (f) Noodleman, L.; Lovell, T.; Han, W.-G.; Li, J.; Himo, F. Chem Rev 2004, 104, 459;
48. (g) Rao, P. R.; Holm, R. H. Chem Rev 2004, 104, 527;
49. (h) Durrant, M. C. Biochemistry 2004, 43, 6030;
50. (i) Zhang, Y.; Holm, R. H. J Am Chem Soc 2004, 126, 3910;
51. (j) Hinnemann, B.; Nørskov, J. K. Phys Chem Chem Phys 2004, 6, 843;
52. (k) Dance, I. J Am Chem Soc 2004, 126, 11852;
53. (l) Huniar, U.; Ahlrichs, R.; Coucouvanis, D. J Am Chem Soc 2004, 126, 2588;
54. (m) Vrajmasu, V. V.; Münck, E.; Bominaar, E. L. Inorg Chem 2004, 43, 4867;
55. (n) Türker, L. THEOCHEM 2004, 676, 73;
56. (o) Barney, B. M.; Igarashi, R. Y.; Dos Santos, P. C.; Dean, D. R.; Seefeldt, L. C. J Biol Chem 2004, 279, 53621;
57. (p) Seefeldt, L. C.; Dance, I. G.; Dean, D. R. Biochemistry 2004, 43, 1401;
58. (q) Igarashi, R. Y.; Dos Santos, P. C.; Niehaus, W. G.; Dance, I. G.; Dean, D. R.; Seefeldt, L. C. J Biol Chem 2004, 279, 34770;
59. (r) Panda, R.; Zhang, Y.; McLauchlan, C. C.; Pao, P. V.; Tiago de Olivira, F. A.; Münck, E.; Holm, R. H. J Am Chem Soc 2004, 126, 6448;
60. (s) Sellmann, D.; Hille, A.; Rösler, A.; Heinemann, F. W.; Moll, M.; Brehm, G.; Schneider, S.; Reiher, M.; Hess, B. A.; Bauer, W. Chem Eur J 2004, 10, 819;
61. (t) Hinnemann, B.; Nørskov, J. K. J Am Chem Soc 2004, 126, 3920;
62. (u) Niu, S.; Wang, X.-B.; Yang, X.; Wang, L.-S.; Ichiye, T. J Phys Chem A 2004, 108, 6750;
63. (v) Carissan, Y.; Heully, J.-L.; Alary, F.; Daudey, J.-P. Inorg Chem 2004, 43, 1411.
64. (a) Janas, Z.; Sobota, P. Coord Chem Rev 2005, 249, 2144;
65. (b) Vignais, P. M. Coord Chem Rev 2005, 249, 1677;
66. (c) Henderson, R. A. Coord Chem Rev 2005, 249, 1841;
67. (d) Kästner, J.; Blöchl, P. E. Chem Phys Chem 2005, 6, 1724;
68. (e) Hu, Y.; Fay, A. W.; Ribbe, M. W. Proc Natl Acad Sci USA 2005, 102, 3236;
69. (f) Alberty, R. A. Biophys Chem 2005, 114, 115;
70. (g) Kästner, J.; Hemmen, S.; Blöchl, P. E. J Chem Phys 2005, 123, 074306;
71. (h) Dos Santos, P. G.; Igarashi, R. Y.; Lee, H.-I.; Hoffman, B. M.; Seefeldt, L. C.; Dean, D. R. Acc Chem Res 2005, 38, 208;
72. (i) Barney, B. M.; Laryukhin, M.; Igarashi, R. Y.; Lee, H.-I.; Dos Santos, P. C.; Yang, T.-C.; Hoffman, B. M.; Dean, D. R.; Seefeldt, L. C. Biochemistry 2005, 44, 8030;
73. (j) Barney, B. M.; Yang, T.-C.; Igarashi, R. Y.; Dos Santos, P. C.; Laryukhin, M.; Lee, H.-I.; Hoffman, B. M.; Dean, D. R.; Seefeldt, L. C. J Am Chem Soc 2005, 127, 14960;
74. (k) Yang, T.-C.; Maeser, N. K.; Laryukhin, M.; Lee, H.-I.; Dean, D. R.; Seefeldt, L. C.; Hoffman, B. M. J Am Chem Soc 2005, 127, 12804;
75. (l) Lee, H.-I.; Sørlie, M.; Christiansen, J.; Yang, T.-C.; Shao, J.; Dean, D. R.; Hales, B. J.; Hoffman, B. M. J Am Chem Soc 2005, 127, 15880;
76. (m) Igarashi, R. Y.; Laryukhin, M.; Dos Santos, P. C.; Lee, H.-I.; Dean, D. R.; Seefeldt, L. C.; Hoffman, B. M. J Am Chem Soc 2005, 127, 6231;
77. (n) Dance, I. J Am Chem Soc 2005, 127, 10925;
78. (o) Kästner, J.; Blöchl, P. E. Inorg Chem 2005, 44, 4568;
79. (p) Graham, D. C.; Beran, G. J. O.; Head-Gordon, M.; Christian, G.; Stranger, R.; Yates, B. F. J Phys Chem A 2005, 109, 6762;
80. (q) Gilbertson, J. D.; Szymczak, N. K.; Tyler, D. R. J Am Chem Soc 2005, 127, 10184;
81. (r) Maskos, Z.; Fisher, K.; Sørlie, M.; Newton, W. E.; Hales, B. J. J Biol Inorg Chem 2005, 10, 394;
82. (s) Kirchner, B.; Reiher, M.; Hille, A.; Hutter, J.; Hess, B. A. Chem Eur J 2005, 11, 574;
83. (t) Moritz, G.; Reiher, M.; Hess, B. A. Theor Chem Acc 2005, 114, 76;
84. (u) Bobadova-Parvanova, P.; Wang, Q.; Morokuma, K.; Musaev, D. G. Angew Chem Int Ed 2005, 44, 7101;
85. (v) Fu, Y.-J.; Niu, S.; Ichiye, T.; Wang, L.-S. Inorg Chem 2005, 44, 1202;
86. (w) Scott, T. A.; Berlinguette, C. P.; Holm, R. H.; Zhou, H.-C. Proc Natl Acad Sci USA 2005, 102, 9741.
87. (a) Dance, I. Biochemistry 2006, 45, 6328;
88. (b) Corbett, M. C.; Hu, Y.; Fay, A. W.; Ribbe, M. W.; Hedman, B.; Hodgson, K. O. Proc Natl Acad Sci USA 2006, 103, 1238;
89. (c) Yu, Y.; Smith, J. M.; Flaschenriem, C. J.; Holland, P. L. Inorg Chem 2006, 45, 5742;
90. (d) Xiao, Y.; Fisher, K.; Smith, M. C.; Newton, W. E.; Case, D. A.; George, S. J.; Wang, H.; Sturhahn, W.; Alp, E. E.; Zhao, J.; Yoda, Y.; Cramer, S. P. J Am Chem Soc 2006, 128, 7608;
91. (e) Smith, J. M.; Sadique, A. R.; Cundari, T. R.; Rodgers, K. R.; Lukat-Rodgers, G.; Lachicotte, R. J.; Flaschenriem, C. J.; Vela, J.; Holland, P. L. J Am Chem Soc 2006, 128, 756;
92. (f) Cao, Z.; Jin, X.; Zhou, Z.; Zhang, Q. Int J Quantum Chem 2006, 106, 2161;
93. (g) Dance, I. Inorg Chem 2006, 45, 5064;
94. (h) Studt, F.; Tuczek, F. J Comput Chem 2006, 27, 1278; 9 Erratum 2006, 27, 1621;
95. (i) Noodleman, L.; Han, W.-G. J Biol Inorg Chem 2006, 11, 674.
96. (a) Yandulov, D. V.; Schrock, R. R. Science 2003, 301, 76;
97. (b) Schrock, R. R. Chem Commun 2003, 2389;
98. (c) Yandulov, D. V.; Schrock, R. R. Inorg Chem 2005, 44, 1103;
99. (d) Schrock, R. R. Philos Trans R Soc Lond A 2005, 363, 959;
100. (e) Schrock, R. R. Acc Chem Res 2005, 38, 955;
101. (f) Neese, F. Angew Chem Int Ed 2005, 44, 2;
102. (g) Studt, F.; Tuczek, F. Angew Chem Int Ed 2005, 44, 5639;
103. (h) Guennic, B. L.; Kirchner, B.; Reiher, M. Chem Eur J 2005, 11, 7448;
104. (i) Reiher, M.; Le Guennic, B.; Kirchner, B. Inorg Chem 2005, 44, 9640;
105. (j) Cao, Z.; Zhou, Z.; Wan, H.; Zhang, Q. Int J Quantum Chem 2005, 103, 344.
106. McKee, M. L. J Comput Chem (in press).
107. Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Montgomery, Jr., J. A.; Vreven, T.; Kudin, K. N.; Burant, J. C.; Millam, J. M.; Iyengar, S. S.; Tomasi, J.; Barone, V.; Mennucci, B.; Cossi, M.; Scalmani, G.; Rega, N. Petersson, G. A.; Nakatsuji, H.; Hada, M.; Ehara, M.; Toyota, K.; Fukuda, R.; Hasegawa, J.; Ishida, M.; Nakajima, T.; Honda, Y.; Kitao, O.; Nakai, H.; Klene, M.; Li, X.; Knox, J. E.; Hratchian H. P.; Cross, J. B.; Bakken, V.; Adamo, G.; Jaramillo, J.; Gomperts, R.; Stratmann, R. E.; Yazyev, O.; Austin, A. J.; Cammi, R.; Pomelli, C.; Ochterski, J. W.; Ayala, P. Y.; Morokuma, K.; Voth, G. A.; Salvador, P.; Dannenberg, J. J.; Zakrzewski, V. G.; Dapprich, S.; Daniels, A. D.; Strain, M. C.; Farkas, O.; Malick, D. K.; Rabuck, A. D.; Raghavachari, K.; Foresman, J. B.; Ortiz, J. V.; Cui, Q; Baboul, A. G.; Clifford, S.; Cioslowski, J.; Stefanov, B. B.; Liu, G.; Liashenko, A.; Piskorz, P.; Komaromi, I.; Martin, R. L.; Fox, D. J.; Keith, T.; Al-Laham, M. A.; Peng, C. Y.; Nanayakkara, A.; Challacombe, M.; Gill, P. M. W.; Johnson, B.; Chen, W.; Wong, M. W.; Gonzalez, C.; and Pople, J. A.; Gaussian 03, Revision B.04, Gaussian Inc.; Wallingford CT, 2004.
108. (a) Hay, P. J.; Wadt, W. R. J Chem Phys 1985, 82, 270;
109. (b) Wadt, W. R.; Hay, P. J. J Chem Phys 1985, 82, 284;
110. (c) Hay, P. J.; Wadt, W. R. J Chem Phys 1985, 82, 299.
111. Dolg, M.; Wedig, U.; Stoll, H.; Preuss, H. J Chem Phys 1987, 86, 866.
112. Reed, A. E.; Curtiss, L. A.; Weinhold, F. Chem Rev 1988, 88, 899.
113. (a) Rauchfuss, T. B. Inorg Chem 2004, 43, 14;
114. (b) Boone, A. J.; Chang, C. H.; Greene, S. N.; Herz, T.; Richards, N. G. J. Coord Chem Rev 2003, 238-239, 291;
115. (c) Dey, A.; Glaser, T.; Couture, M., M.-J.; Eltis, L. D.; Holmn, R. H.; Hedman, B.; Hodgson, K. O.; Solomon, E. I. J Am Chem Soc 2004, 126, 8320;
116. (d) Dey, A.; Glaser, T.; Moura, J. J.-G.; Holmn, R. H.; Hedman, B.; Hodgson, K. O.; Solomon, E. I. J Am Chem Soc 2004, 126, 16868;
117. (e) Chang, C. H.; Boone, A. J.; Bartlett, R. J.; Richards, N. G. J. Inorg Chem 2004, 43, 458;
118. (f) Gherman, B. F.; Baik, M.-H.; Lippard, S. J.; Friesner, R. A. J Am Chem Soc 2004, 126, 2978;
119. (g) Shoji, M.; Koizumi, K.; Kitagawa, Y.; Yamanaka, S.; Kawakami, T.; Okumura, M.; Yamaguchi, K. Int J Quantum Chem 2005, 105, 628.
120. Siegbahn, P. E. M.; Blomberg, M. R. A. Philos Trans Soc A 2005, 363, 847.
121. Szilagyi, R.; Winslow, M. A. J Comput Chem 2006, 27, 1385.
122. Yamamura, T.; Christou, G.; Holm, R. H. Inorg Chem 1983, 22, 939.