Validation of broken-symmetry density functional methods for the calculation of electron paramagnetic resonance parameters of dinuclear mixed-valence MnIVMnIII complexes

Canadian Journal of Chemistry

Volumn 87, Issue 10, 2009, Pages 1521-1539

  Schinzel, Sandra ^a   Kaupp, Martin ^a  

^a UNIVERSITY OF WÜRZBURG   (Germany)

Author keywords

Broken symmetry density functional theory; Dinuclear manganese complex; Electron paramagnetic resonance; G tensor; Heisenberg exchange coupling constant; Hyperfine tensor; Paired orbital analysis

Indexed keywords

BROKEN-SYMMETRY DENSITY FUNCTIONAL THEORY; DINUCLEAR MANGANESE COMPLEX; ELECTRON PARAMAGNETIC RESONANCE; G TENSOR; HEISENBERG EXCHANGE COUPLING CONSTANT; HYPERFINE TENSOR; PAIRED ORBITAL ANALYSIS;

COUPLINGS; ELECTRON RESONANCE; ELECTRON SPIN RESONANCE SPECTROSCOPY; EXCHANGE COUPLING; ISOMERS; MANGANESE; MANGANESE COMPOUNDS; PARAMAGNETIC MATERIALS; PARAMAGNETIC RESONANCE; PARAMAGNETISM; PROBABILITY DENSITY FUNCTION; QUANTUM THEORY; SPIN DYNAMICS; SYSTEMATIC ERRORS; TENSORS;

DENSITY FUNCTIONAL THEORY;

EID: 70350647450     PISSN: 00084042     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1139/V09-094     Document Type: Article

References (100)

1. Gatteschi, D.; Barra, A. L.; Caneschi, A.; Cornia, A.; Sessoli, R.; Sorace, L. Coord. Chem. Rev. 2006, 250 (11-12), 1514-1529. doi:10.1016/j.ccr. 2006.02.006.
2. Dismukes, G. C. Chem. Rev. 1996, 96 (7), 2909-2926. doi:10.1021/ cr950053c.PMID:11848845.
3. McEvoy, J. P.; Brudvig, G. W. Chem. Rev. 2006, 106 (11), 4455-4483. doi:10.1021/cr0204294.PMID:17091926.
4. Mukhopadhyay, S.; Mandal, S. K.; Bhaduri, S.; Armstrong, W. H. Chem. Rev. 2004, 104 (9), 3981-4026. doi:10.1021/cr0206014.PMID:15352784.
5. Barber, J.; Murray, J. W. Coord. Chem. Rev. 2008, 252 (3-4), 233-243. doi:10.1016/j.ccr.2007.08.013.
6. Ferreira, K. N.; Iverson, T. M.; Maghlaoui, K.; Barber, J.; Iwata, S. Science 2004, 303 (5665), 1831-1838. doi:10.1126/science.1093087.PMID:14764885.
7. Loll, B.; Kern, J.; Saenger, W.; Zouni, A.; Biesiadka, J. Nature 2005, 438 (7070), 1040-1044. doi:10.1038/nature04224.PMID:16355230.
8. Dau, H.; Haumann, M. Coord. Chem. Rev. 2008, 252 (3-4), 273-295. doi:10.1016/j.ccr.2007.09.001.
9. Yano, J.; Yachandra, V. K. Photosynth. Res. 2007, 92 (3), 289-303. doi:10.1007/s11120-007-9153-5.PMID:17429751.
10. Noguchi, T. Coord. Chem. Rev. 2008, 252 (3-4), 336-346. doi:10.1016/j.ccr.2007.05.001.
11. Taguchi, Y.; Noguchi, T. Biochim. Biophys. Acta 2007, 1767 (6), 535-540. doi:10.1016/j.bbabio.2006.11.002.PMID:17184726.
12. Britt, R. D.; Campbell, K. A.; Peloquin, J. M.; Gilchrist, M. L.; Aznar, C. P.; Dicus, M. M.; Robblee, J.; Messinger, J. Biochim. Biophys. Acta 2004, 1655 (1-3), 158-171.PMID:15100028.
13. Haddy, A. Photosynth. Res. 2007, 92 (3), 357-368. doi:10.1007/s11120-007- 9194-9.PMID:17551843.
14. Noodleman, L.; Peng, C.; Case, D.; Mouesca, J. Coord. Chem. Rev. 1995, 144, 199-244. doi:10.1016/0010-8545(95)07011-L. (Pubitemid 126000788)
15. Noodleman, L. J. Chem. Phys. 1981, 74, 5737.
16. Blondin, G.; Girerd, J. J. Chem. Rev. 1990, 90 (8), 1359-1376. doi:10.1021/cr00106a001.
17. Bencini, A.; Gatteschi, D. In EPR of exchange coupled systems. Springer. 1990.
18. Noodleman, L.; Baerends, E. J. J. Am. Chem. Soc. 1984, 106 (8), 2316-2327. doi:10.1021/ja00320a017.
19. Mouesca, J. M.; Noodleman, L.; Case, D. A.; Lamotte, B. Inorg. Chem. 1995, 34 (17), 4347-4359. doi:10.1021/ic00121a013.
20. Sinnecker, S.; Neese, F.; Noodleman, L.; Lubitz, W. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126 (8), 2613-2622. doi:10.1021/ja0390202.PMID:14982471.
21. Sinnecker, S.; Neese, F.; Lubitz, W. J. Biol. Inorg. Chem. 2005, 10 (3), 231-238. doi:10.1007/s00775-005-0633-9.PMID:15830216.
22. Schinzel, S.; Müller, R.; Kaupp, M. Theor. Chem. Acc. 2008, 120 (4-6), 437-445. doi:10.1007/s00214-008-0420-0.
23. Sproviero, E. M.; Gascon, J. A.; McEvoy, J. P.; Brudvig, G. W.; Batista, V. S. J. Inorg. Biochem. 2006, 100 (4), 786-800. doi:10.1016/j.jinorgbio.2006. 01.017.PMID:16510187.
24. Rudberg, E.; Salek, P.; Rinkevicius, Z.; Aagren, H. J. Chem. Theory Comput. 2006, 2 (4), 981-989. doi:10.1021/ct050325b.
25. Soda, T.; Kitagawa, Y.; Onishi, T.; Takano, Y.; Shigeta, Y.; Nagao, H.; Yoshioka, Y.; Yamaguchi, K. Chem. Phys. Lett. 2000, 319 (3-4), 223. doi:10.1016/S0009-2614(00)00166-4.
26. Atherton, N. M. Principles of electron spin resonance; Prentice Hall, New York. 1993.
27. McGarvey, B. R. Trans. Metal Chem. 1966, 3, 89.
28. Mabbs, F. E.; Collison, D. Electron Paramagnetic Resonance of d Transition Metal Compounds; Elsevier: Amsterdam, 1992.
29. Abragam, A.; Bleaney, B. Electron Paramagnetic Resonance of Transition Ions; Clarendon Press: Oxford. 1970.
30. Weil, J. A.; Bolton, J. R.; Wertz, J. E. Electron Paramagnetic Resonance: Elementary Theory and Practical Applications; Wiley & Sons: New York, 1994.
31. Harriman, J. E. Theoretical Foundations of Electron Spin Resonance; Academic Press: New York, 1978.
32. Kaupp, M.; Reviakine, R.; Malkina, O. L.; Arbuznikov, A.; Schimmelpfennig, B.; Malkin, V. G. J. Comput. Chem. 2002, 23 (8), 794-803. doi:10.1002/jcc.10049.PMID:12012356.
33. Malkina, O. L.; Vaara, J.; Schimmelpfennig, B.; Munzarová, M.; Malkin, V. G.; Kaupp, M. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122 (38), 9206-9218. doi:10.1021/ja000984s. (Pubitemid 30757306)
34. Neese, F. J. Chem. Phys. 2001, 115 (24), 11080. doi:10.1063/1.1419058. (Pubitemid 34035733)
35. Schreckenbach, G.; Ziegler, T. J. Phys. Chem. A 1997, 101 (18), 3388-3399. doi:10.1021/jp963060t.
36. Remenyi, C.; Reviakine, R.; Arbuznikov, A. V.; Vaara, J.; Kaupp, M. J. Phys. Chem. A 2004, 108 (23), 5026-5033. doi:10.1021/jp049395p.
37. Arbuznikov, A. V.; Vaara, J.; Kaupp, M. J. Chem. Phys. 2004, 120 (5), 2127-2139. doi:10.1063/1.1636720.PMID:15268351.
38. Neese, F. J. Chem. Phys. 2003, 118 (9), 3939. doi:10.1063/1.1540619.
39. Schäfer, K.-O.; Bittl, R.; Zweygart, W.; Lendzian, F.; Haselhorst, G.; Weyhermuller, T.; Wieghardt, K.; Lubitz, W. J. Am. Chem. Soc. 1998, 120 (50), 13104-13120. doi:10.1021/ja9827548. (Pubitemid 29024071)
40. Zheng, M.; Khangulov, S. V.; Dismukes, G. C.; Barynin, V. V. Inorg. Chem. 1994, 33 (2), 382-387. doi:10.1021/ic00080a030.
41. Palii, A. V.; Belinsky, M. I.; Tsukerblat, B. S. Chem. Phys. 2000, 255 (1), 51-57. doi:10.1016/S0301-0104(00)00060-4.
42. Borrás-Almenar, J. J.; Coronado, E.; Ostrovsky, S. M.; Palii, A. V.; Tsukerblat, B. S. Chem. Phys. 1999, 240 (1-2), 149-161. doi:10.1016/S0301- 0104(98)00375-9.
43. Barone, V.; Bencini, A.; Gatteschi, D.; Totti, F. Chem. Eur. J. 2002, 8 (21), 5019-5027. doi:10.1002/1521-3765(20021104)8:21<5019::AID-CHEM5019>3. 0.CO;2-Y. (Pubitemid 35387829)
44. Randall, D. W.; Chan, M. K.; Armstrong, W. H.; Britt, R. D. Mol. Phys. 1998, 95 (6), 1283-1294. doi:10.1080/002689798166297.
45. Amos, A. T.; Hall, G. G. Proc. R. Soc. Lond. A Math. Phys. Sci. 1961, 263 (1315), 483-493. doi:10.1098/rspa. 1961.0175.
46. Zilberberg, I.; Ruzankin, S. P. Chem. Phys. Lett. 2004, 394 (1-3), 165-170. doi:10.1016/j.cplett.2004.06.126.
47. Zilberberg, I.; Ruzankin, S. P.; Malykhin, S.; Zhidomirov, G. M. Chem. Phys. Lett. 2004, 394 (4-6), 392-396. doi:10.1016/j.cplett.2004.06.144.
48. Ahlrichs, R.; Bär, M.; Häser, M.; Horn, H.; Kölmel, C. Chem. Phys. Lett. 1989, 162 (3), 165-169. doi:10.1016/0009-2614(89)85118-8.
49. Barynin, V. V.; Whittaker, M. M.; Antonyuk, S. V.; Lamzin, V. S.; Harrison, P. M.; Artymiuk, P. J.; Whittaker, J. W. Structure 2001, 9 (8), 725-738. doi:10.1016/S0969-2126(01)00628-1.PMID:11587647.
50. Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98 (7), 5648. doi:10.1063/1.464913.
51. Stephens, P. J.; Devlin, F. J.; Chabalowski, C. F.; Frisch, M. J. J. Phys. Chem. 1994, 98 (45), 11623-11627. doi:10.1021/j100096a001.
52. Schäfer, A.; Horn, H.; Ahlrichs, R. J. Chem. Phys. 1992, 97 (4), 2571. doi:10.1063/1.463096.
53. Munzarová, M.; Kaupp, M. J. Phys. Chem. A 1999, 103 (48), 9966-9983. doi:10.1021/jp992303p.
54. Munzarová, M.; Kubácek, P.; Kaupp, M. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122 (48), 11900-11913. doi:10.1021/ja002062v.
55. Kutzelnigg, W.; Fleischer, U.; Schindler, M. In NMR Basis Principles and Progress; Diehl, P., Ed.; Springer-Verlag: Berlin/Heidelberg, 1990; Vol. 23, pp 165-262.
56. Huzinaga, S. Ph.D. thesis, University of Alberta, Edmonton, AB. 1971.
57. Lee, C.; Yang, W.; Parr, R. G. Phys. Rev. B 1988, 37 (2), 785-789. doi:10.1103/PhysRevB.37.785.
58. Malkin, V. G.; Malkina, O. L.; Reviakine, R.; Arbouznikov, A. V.; Kaupp, M.; Schimmelpfennig, B.; Malkin, I.; Helgaker, T.; Ruud, K. MAG-ReSpect, version 1.2; MAGReSpect. 2003.
59. Hess, B. A.; Marian, C. M.; Wahlgren, U.; Gropen, O. Chem. Phys. Lett. 1996, 251 (5-6), 365-371. doi:10.1016/0009-2614(96)00119-4.
60. Schimmelpfennig, B. Ph.D. thesis, University of Stockholm, Stockholm, Sweden, 1996.
61. Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Montgomery, J. A., Jr.; 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, C.; 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.; Pople, J. A. Gaussian 03, revision C.02; Gaussian Inc., Wallington, CT, 2004.
62. Siegbahn, P. E. M. Curr. Opin. Chem. Biol. 2002, 6 (2), 227-235. doi:10.1016/S1367-5931(02)00312-5.PMID:12039009.
63. Siegbahn, P. E. M.; Westerberg, J.; Svensson, M.; Crabtree, R. H. J. Phys. Chem. B 1998, 102 (9), 1615-1623. doi:10.1021/jp972207t.
64. Pavlov, M.; Blomberg, M. R. A.; Siegbahn, P. E. M. Int. J. Quantum Chem. 1999, 73 (2), 197-207. doi:10.1002/(SICI) 1097-461X(1999)73:2<197::AID- QUA13>3.0.CO;2-R.
65. Sigfridsson, E.; Olsson, M. H. M.; Ryde, U. Inorg. Chem. 2001, 40 (11), 2509-2519. doi:10.1021/ic000752u.PMID:11350228.
66. Horner, O.; Anxolabéhère-Mallart, E.; Charlot, M.-F.; Tchertanov, L.; Guilhem, J.; Mattioli, T. A.; Boussac, A.; Girerd, J.-J. Inorg. Chem. 1999, 38 (6), 1222-1232. doi:10.1021/ic980832m.PMID:11670906.
67. Plaksin, P. M.; Stoufer, R. C.; Mathew, M.; Palenik, G. J. J. Am. Chem. Soc. 1972, 94 (6), 2121-2122. doi:10.1021/ja00761a059.
68. Stebler, M.; Ludi, A.; Buergi, H. B. Inorg. Chem. 1986, 25 (26), 4743-4750. doi:10.1021/ic00246a032.
69. Wieghardt, K.; Bossek, U.; Zsolnai, L.; Huttner, G.; Blondin, G.; Girerd, J.-J.; Babonneau, F. J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1987, (9): 651. doi:10.1039/c39870000651.
70. Wieghardt, K.; Bossek, U.; Bonvoisin, J.; Beauvillain, P.; Girerd, J.-J.; Nuber, B.; Weiss, J.; Heinze, J. Angew. Chem. 1986, 98 (11), 1026-1027. doi:10.1002/ange.19860981128.
71. Patchkovskii, S.; Ziegler, T. J. Chem. Phys. 1999, 111 (13), 5730. doi:10.1063/1.479869.
72. Rudra, I.; Wu, Q.; Van Voorhis, T. Inorg. Chem. 2007, 46 (25), 10539-10548. doi:10.1021/ic700871f.PMID:17999488.
73. Ruiz, E.; Cano, J.; Alvarez, S.; Alemany, P. J. Am. Chem. Soc. 1998, 120 (43), 11122-11129. doi:10.1021/ja981661n. (Pubitemid 28541192)
74. Ruiz, E.; Cano, J.; Alvarez, S.; Alemany, P. J. Comput. Chem. 1999, 20 (13), 1391-1400. doi:10.1002/(SICI)1096-987X(199910)20:13<1391::AID- JCC6>3.0.CO;2-J.
75. Ruiz, E.; Rodríguez-Fortea, A.; Cano, J.; Alvarez, S.; Alemany, P. J. Comput. Chem. 2003, 24 (8), 982-989. doi:10.1002/jcc.10257.PMID:12720319.
76. Ruiz, E. Chem. Phys. Lett. 2008, 460 (1-3), 336-338. doi:10.1016/j. cplett.2008.05.073.
77. Ruiz, E.; Rodríguez-Fortea, A.; Tercero, J.; Cauchy, T.; Massobrio, C. J. Chem. Phys. 2005, 123 (7),o. 074102. doi:10.1063/1.1999631. PMID:16229554.
78. Delfs, C. D.; Stranger, R. Inorg. Chem. 2001, 40 (13), 3061-3076. doi:10.1021/ic0008767.PMID:11399174.
79. McGrady, J. E.; Stranger, R. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119 (36), 8512-8522. doi:10.1021/ja964360r. (Pubitemid 27404576)
80. Petrie, S.; Mukhopadhyay, S.; Armstrong, W. H.; Stranger, R. Phys. Chem. Chem. Phys. 2004, 6 (20), 4871. doi:10.1039/b407512a.
81. Soda, T.; Kitagawa, Y.; Onishi, T.; Takano, Y.; Shigeta, Y.; Nagao, H.; Yoshioka, Y.; Yamaguchi, K. Chem. Phys. Lett. 2000, 319 (3-4), 223-230. doi:10.1016/S0009-2614(00)00166-4.
82. Caballol, R.; Castell, O.; Illas, F.; de Pinho Ribeiro Moreira, I.; Malrieu, J. P. J. Phys. Chem. A 1997, 101, 7860. doi:10.1021/jp9711757.
83. Ruiz, E.; Cirera, J.; Alvarez, S. Coord. Chem. Rev. 2005, 249 (23), 2649-2660. doi:10.1016/j.ccr.2005.04.010.
84. Ruiz, E.. Struct. Bond. 2004, 113, 71-102.
85. Delfs, C. D.; Stranger, R. Inorg. Chem. 2000, 39 (3), 491-495. doi:10.1021/ic990790h.PMID:11229568.
86. Michaud-Soret, I.; Jacquamet, L.; Debaecker-Petit, N.; Le Pape, L.; Barynin, V. V.; Latour, J.-M. Inorg. Chem. 1998, 37 (15), 3874-3876. doi:10.1021/ic9712176.PMID:11670494.
87. Teutloff, C.; Schäfer, K. O.; Sinnecker, S.; Barynin, V.; Bittl, R.; Wieghardt, K.; Lendzian, F.; Lubitz, W. Magn. Reson. Chem. 2005, 43 (S1)(Spec no), S51-S64. doi:10.1002/mrc.1685.PMID:16235205.
88. Schäfer, K.-O.; Bittl, R.; Lendzian, F.; Barynin, V.; Weyhermüller, T.; Wieghardt, K.; Lubitz, W. J. Phys. Chem. B. 2003, 107 (5), 1242-1250. doi:10.1021/jp0259768.
89. Remenyi, C.; Reviakine, R.; Kaupp, M. J. Phys. Chem. B. 2007, 111 (28), 8290-8304. doi:10.1021/jp071745v.PMID:17592871.
90. Kaupp, M.; Bahmann, H.; Arbuznikov, A. V. J. Chem. Phys. 2007, 127 (19),o. 194102. doi:10.1063/1.2795700.PMID:18035874.
91. Bahmann, H.; Rodenberg, A.; Arbuznikov, A. V.; Kaupp, M. J. Chem. Phys. 2007, 126 (1),o. 011103. doi:10.1063/1.2429058.PMID:17212482.
92. Arbuznikov, A. V.; Kaupp, M. Chem. Phys. Lett. 2007, 440 (1-3), 160-168. doi:10.1016/j.cplett.2007.04.020. (Pubitemid 46693736)
93. Arbuznikov, A. V.; Kaupp, M. Chem. Phys. Lett. 2007, 442 (4-6), 496-503. doi:10.1016/j.cplett.2007.06.015. (Pubitemid 47016425)
94. Arbuznikov, A. V.; Kaupp, M.; Bahmann, H. J. Chem. Phys. 2006, 124 (20),o. 204102. doi:10.1063/1.2196883.PMID:16774314.
95. Yeagle, G. J.; Gilchrist, M. L., Jr.; Walker, L. M.; Debus, R. J.; Britt, R. D. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. 2008, 363 (1494), 1157-1166, discussion 1166. doi:10.1098/rstb.2007.2211.PMID:17954435.
96. Yeagle, G. J.; Gilchrist, M. L.; McCarrick, R. M.; Britt, R. D. Inorg. Chem. 2008, 47 (6), 1803-1814. doi:10.1021/ic701680c.PMID:18330971.
97. Ivancich, A.; Barynin, V. V.; Zimmermann, J.-L. Biochemistry 1995, 34 (20), 6628-6639. doi:10.1021/bi00020a008.PMID:7756295.
98. Stemmler, T. L.; Sturgeon, B. E.; Randall, D. W.; Britt, R. D.; Penner-Hahn, J. E. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119 (39), 9215-9225. doi:10.1021/ja9704040. (Pubitemid 27440499)
99. Usov, O. M.; Grigoryants, V. M.; Tagore, R.; Brudvig, G. W.; Scholes, C. P. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129 (39), 11886-11887. doi:10.1021/ja073179n.PMID: 17850079.
100. Britt, R. D. Ph.D. thesis, Lawrence Berkeley Laboratory. 1988.