Computational chemical analysis of [FeFe] hydrogenase H-cluster analogues to discern catalytically relevant features of the natural diatomic ligand configuration

Journal of Physical Chemistry A

Volumn 115, Issue 31, 2011, Pages 8691-8704

  Chang, Christopher H ^a  

^a NATIONAL RENEWABLE ENERGY LABORATORY   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

[FEFE]HYDROGENASES; ANTICORRELATION; BOND-ORDER ANALYSIS; CARBONYL LIGAND; CHARGE ACCUMULATION; COFACTORS; CONFIGURATIONAL ISOMERS; DENSITY FUNCTIONALS; ELECTROSTATIC STABILIZATION; FRONTIER ORBITAL ENERGIES; GEOMETRIC CHANGES; H-CLUSTER; NATURALLY OCCURRING; THEORETICAL MODELS; TRANS CONFIGURATION;

C (PROGRAMMING LANGUAGE); CARBONYLATION; CYANIDES; DENSITY FUNCTIONAL THEORY; ELECTRONIC STRUCTURE; IRON COMPOUNDS; ISOMERS; LIGANDS;

CHEMICAL ANALYSIS;

HYDROGEN; HYDROGENASE; IRON HYDROGENASE; IRON SULFUR PROTEIN; LIGAND;

ARTICLE; BIOCATALYSIS; CHEMICAL STRUCTURE; CHEMISTRY; METABOLISM; OXIDATION REDUCTION REACTION; PRINCIPAL COMPONENT ANALYSIS; PROTEIN CONFORMATION; QUANTUM THEORY; THERMODYNAMICS;

BIOCATALYSIS; HYDROGEN; HYDROGENASE; IRON-SULFUR PROTEINS; LIGANDS; MODELS, MOLECULAR; OXIDATION-REDUCTION; PRINCIPAL COMPONENT ANALYSIS; PROTEIN CONFORMATION; QUANTUM THEORY; THERMODYNAMICS;

EID: 79961240990     PISSN: 10895639     EISSN: 15205215     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/jp112296d     Document Type: Article

References (78)

1. Pandey, A. S.; Harris, T. V.; Giles, L. J.; Peters, J. W.; Szilagyi, R. K. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 4533
2. Silakov, A.; Wenk, B.; Reijerse, E.; Lubitz, W. Phys. Chem. Chem. Phys. 2009, 11, 6592
3. Zilberman, S.; Stiefel, E. I.; Cohen, M. H.; Car, R. Inorg. Chem. 2007, 46, 1153
4. Ryde, U.; Greco, C.; De Gioia, L. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 4512
5. Nicolet, Y.; Piras, C.; Legrand, P.; Hatchikian, C. E.; Fontecilla-Camps, J. C. Structure 1999, 7, 13
6. Pierik, A. J.; Hulstein, M.; Hagen, W. R.; Albracht, S. P. Eur. J. Biochem. 1998, 258, 572
7. Nicolet, Y.; de Lacey, A. L.; Vernède, X.; Fernandez, V. M.; Hatchikian, E. C.; Fontecilla-Camps, J. C. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 1596
8. Peters, J. W.; Lanzilotta, W. N.; Lemon, B. J.; Seefeldt, L. C. Science 1998, 282, 1853
9. Nicolet, Y.; Cavazza, C.; Fontecilla-Camps, J. C. J. Inorg. Biochem. 2002, 91, 1
10. Siegbahn, P. E. M.; Tye, J. W.; Hall, M. B. Chem. Rev. 2007, 107, 4414
11. Van der Vlugt, J. I.; Rauchfuss, T. B.; Whaley, C. M.; Wilson, S. R. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 16012
12. Ezzaher, S.; Capon, J.-F.; Gloaguen, F.; Pétillon, F. Y.; Schollhammer, P.; Talarmin, J. Inorg. Chem. 2007, 46, 3426
13. Barton, B. E.; Rauchfuss, T. B. Inorg. Chem. 2008, 47, 2261
14. Fan, H.-J.; Hall, M. B. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 3828
15. Surawatanawong, P.; Hall, M. B. Inorg. Chem. 2010, 49, 5737
16. Shepard, E. M.; Duffus, B. R.; George, S. J.; McGlynn, S. E.; Challand, M. R.; Swanson, K. D.; Roach, P. L.; Cramer, S. P.; Peters, J. W.; Broderick, J. B. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 9247
17. Mulder, D. W.; Boyd, E. S.; Sarma, R.; Lange, R. K.; Endrizzi, J. A.; Broderick, J. B.; Peters, J. W. Nature 2010, 465, 248
18. Brazzolotto, X.; Rubach, J. K.; Gaillard, J.; Gambarelli, S.; Atta, M.; Fontecave, M. J. Biol. Chem. 2006, 281, 769
19. Posewitz, M. C.; King, P. W.; Smolinski, S. L.; Smith, R. D., II; Ginley, A. R.; Ghirardi, M. L.; Seibert, M. Biochem. Soc. Trans. 2005, 33, 102
20. Kubas, G. J. Chem. Rev. 2007, 107, 4152
21. Lyon, E. J.; Georgakaki, I. P.; Reibenspies, J. H.; Darensbourg, M. Y. Angew. Chem., Intl. Ed. 1999, 38, 3178
22. Schmidt, M.; Contakes, S. M.; Rauchfuss, T. B. J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 9736
23. Le Cloirec, A.; Best, S. P.; Borg, S.; Davies, S. C.; Evans, D. J.; Hughes, D. L.; Pickett, C. J. Chem. Commun. (Cambridge, U. K.) 1999, 1999, 2285
24. Liu, Y.-C.; Tu, L.-K.; Yen, T.-H.; Lee, G.-H.; Yang, S.-T.; Chiang, M.-H. Inorg. Chem. 2010, 49, 6409
25. Cao, Z.; Hall, M. B. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 3734
26. De Lacey, A. L.; Stadler, C.; Cavazza, C.; Hatchikian, E. C.; Fernandez, V. M. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 11232
27. 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, H.; Kitao, O.; Nakai, H.; Klene, M.; Li, X.; Knox, J. E.; Hratchian, H. P.; Cross, J. B.; Adamo, C.; Jaramillo, J.; Gomperts, R.; Stratmann, R. E.; Yazyev, O.; Austin, A. J.; Cami, 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.2; Gaussian: Pittsburgh, PA, 2003.
28. Glendening, E. D.; Badenhoop, J. K.; Reed, A. E.; Carpenter, J. E.; Bohmann, J. A.; Morales, C. M.; Weinhold, F. NBO 5.0; Theoretical Chemistry Institute, University of Wisconsin: Madison, WI, 2001.
29. Cancès, E.; Mennucci, B.; Tomasi, J. J. Chem. Phys. 1997, 107, 3032
30. Mennucci, B.; Tomasi, J. J. Chem. Phys. 1997, 106, 5151
31. Mennucci, B.; Cancès, E.; Tomasi, J. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 10506
32. Tomasi, J.; Mennucci, B.; Cancès, E. J. Mol. Struct. (THEOCHEM) 1999, 464, 211
33. Takashima, S.; Schwan, H. P. J. Phys. Chem. 1965, 69, 4176
34. Gilson, M. K.; Honig, B. H. Biopolymers 1986, 25, 2097
35. Nakamura, H.; Sakamoto, T.; Wada, A. Protein Eng. 1988, 2, 177
36. Perdew, J. P.; Burke, K.; Ernzerhof, M. Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 3865
37. Perdew, J. P.; Burke, K.; Ernzerhof, M. Phys. Rev. Lett. 1997, 78, 1396
38. Furche, F.; Perdew, J. P. J. Chem. Phys. 2006, 124, 044103
39. Jensen, K. P.; Roos, B. O.; Ryde, U. J. Chem. Phys. 2007, 126, 014103
40. Hay, P. J.; Wadt, W. R. J. Chem. Phys. 1985, 82, 270
41. Wadt, W. R.; Hay, P. J. J. Chem. Phys. 1985, 82, 284
42. Check, C. E.; Faust, T. O.; Bailey, J. M.; Wright, B. J.; Gilbert, T. M.; Sunderlin, L. S. J. Phys. Chem. A 2001, 105, 8111
43. Dunning, T. H., Jr. ; Hay, P. J. Gaussian Basis Sets for Molecular Calculations. In Modern Theoretical Chemistry: Methods of Electronic Structure Theory; Schaefer, H. F., III, Ed.; Plenum: New York, 1977; Vol. 3, p 1.
44. Clark, T.; Chandrasekhar, J.; Spitznagel, G. W.; Schleyer, P. v. R. J. Comput. Chem. 1983, 4, 294
45. Frisch, M. J.; Pople, J. A.; Binkley, J. S. J. Chem. Phys. 1984, 80, 3265
46. Wachters, A. J. H. J. Chem. Phys. 1970, 52, 1033
47. Dunning, T. H., Jr. J. Chem. Phys. 1989, 90, 1007
48. Woon, D. E.; Dunning, T. H., Jr. J. Chem. Phys. 1993, 98, 1358
49. Kendall, R. A.; Dunning, T. H., Jr. ; Harrison, R. J. J. Chem. Phys. 1992, 96, 6796
50. Wang, N. X.; Wilson, A. K. J. Chem. Phys. 2004, 121, 7632
51. Perdew, J. P.; Ruzsinszky, A.; Tao, J.; Staroverov, V. N.; Scuseria, G. E.; Csonka, G. I. J. Chem. Phys. 2005, 123, 062201
52. Slater, J. C. Phys. Rev. 1950, 81, 385
53. Vosko, S. H.; Wilk, L.; Nusair, M. Can. J. Phys. 1980, 58, 1200
54. Patton, D. C.; Porezag, D. V.; Pederson, M. R. Phys. Rev. B 1997, 55, 7454
55. Ernzerhof, M.; Scuseria, G. E. J. Chem. Phys. 1999, 110, 5029
56. Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1996, 104, 1040
57. Cremer, D. Mol. Phys. 2001, 99, 1899
58. Cremer, D.; Filatov, M.; Polo, V.; Kraka, E.; Shaik, S. Int. J. Mol. Sci. 2002, 3, 604
59. Tao, J.; Perdew, J. P.; Staroverov, V. N.; Scuseria, G. E. Phys. Rev. Lett. 2003, 91, 146401
60. Perdew, J. P.; Tao, J.; Staroverov, V. N.; Scuseria, G. E. J. Chem. Phys. 2004, 120, 6898
61. Bühl, M.; Kabrede, H. J. Chem. Theory Comput. 2006, 2, 1282
62. Reed, A. E.; Weinstock, R. B.; Weinhold, F. J. Chem. Phys. 1985, 83, 735
63. Foster, J. P.; Weinhold, F. J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 7211
64. Reed, A. E.; Weinhold, F. J. Chem. Phys. 1985, 83, 1736
65. Coulson, C. A. Proc. R. Soc. London, Ser. A 1939, 169, 413
66. Mayer, I. Chem. Phys. Lett. 1983, 97, 270
67. Wiberg, K. B. Tetrahedron 1968, 24, 1083
68. Weinhold, F. Natural Bond Orbital Methods. In Encyclopedia of Computational Chemistry; Schleyer, P. v. R.; Allinger, N. L.; Clark, T.; Gasteiger, J.; Kollman, P. A.; Schaefer, H. F. I.; Schreiner, P. R., Eds.; Wiley Interscience: New York, 1998; Vol. 3, p 1792.
69. Reed, A. E.; Schleyer, P. v. R. Inorg. Chem. 1988, 27, 3969
70. Reed, A. E.; Schleyer, P. v. R. J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 1434
71. Shlens, J. A Tutorial on Principal Component Analysis, Version 3.01; Salk Institute of Biological Studies and University of California, San Diego: La Jolla, CA, 2005; p 1.
72. Greco, C.; Bruschi, M.; De Gioia, L.; Ryde, U. Inorg. Chem. 2007, 46, 5911
73. Patil, D. S.; Moura, J. J. G.; He, S. H.; Teixeira, M.; Prickril, B. C.; DerVartanian, D. V.; Peck, H. D., Jr. ; LeGall, J.; Huynh, B. H. J. Biol. Chem. 1988, 263, 18732
74. Pereira, A. S.; Tavares, P.; Moura, I.; Moura, J. J. G.; Huynh, B. H. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 2771
75. Bruschi, M.; Greco, C.; Bertini, L.; Fantucci, P.; Ryde, U.; De Gioia, L. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 4992
76. Roseboom, W.; De Lacey, A. L.; Fernandez, V. M.; Hatchikian, E. C.; Albracht, S. P. J. J. Biol. Inorg. Chem. 2005, 11, 102
77. Coe, B. J.; Glenwright, S. J. Coord. Chem. Rev. 2000, 203, 5
78. Pavlov, M.; Siegbahn, P. E. M.; Blomberg, M. R. A.; Crabtree, R. H. J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 548