Spin hamiltonian models for artificial and native water splitting systems revealed by hybrid DFT calculations. Oxygen activation by high-valent Mn and Ru ions

International Journal of Quantum Chemistry

Volumn 112, Issue 24, 2012, Pages 3849-3866

  Yamaguchi, K ^a,b   Yamanaka, S ^b   Isobe, H ^a   Tanaka, K ^c   Ueyama, N ^a  

^a Handai Rigaku Techno research   (Japan)

^b OSAKA UNIVERSITY   (Japan)

^c INSTITUTE FOR MOLECULAR SCIENCE   (Japan)

Author keywords

artificial and native models; radical Intermediates; ruthenium complexes; spin Hamiltonian; water splitting reaction

Indexed keywords

ARTIFICIAL PHOTOSYNTHESIS; BENZOQUINONES; CLOSED SHELLS; COMPUTATIONAL RESULTS; DFT COMPUTATIONS; FUNCTIONALS; HEISENBERG SPIN HAMILTONIANS; HYBRID DENSITY FUNCTIONAL; HYBRID DFT; NATIVE WATER; NATURAL ORBITALS; OPEN-SHELL; OXYGEN ACTIVATIONS; RADICAL INTERMEDIATES; REACTION MECHANISM; RU COMPLEXES; RUTHENIUM COMPLEXES; SEMIQUINONES; SPIN HAMILTONIAN; SPIN STATE; SPIN STRUCTURES; SPIN SYSTEMS; TERPYRIDINES; TOTAL ENERGY; WATER SPLITTING REACTIONS;

CHEMICAL BONDS; DENSITY FUNCTIONAL THEORY; MANGANESE; REACTION INTERMEDIATES; RUTHENIUM; RUTHENIUM COMPOUNDS; SPIN DYNAMICS;

HAMILTONIANS;

EID: 84869080397     PISSN: 00207608     EISSN: 1097461X     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/qua.24270     Document Type: Conference Paper

References (97)

1. V. J. DeRose, I. Mukeriji, M. J. Latimer, V. K. Yachandra, K. Sauer, M. P. Klein, J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 5239.
2. V. K. Yachndra, K. Sauer, M. P. Klein, Chem. Rev. 1996, 96, 2927.
3. J. H. Robblee, R. M. Cinco, V. K. Yachandra, Biochim. Biophys. Acta 2001, 1503, 7.
4. H. Dau, L. Iuzzolino, J. Dittmer, Biochim. Biophys. Acta 2001, 1503, 24.
5. R. M. Cinco, K. L. M. Holman, J. H. Robblee, J. Yano, S. A. Pizarro, E. Bellacchio, K. Sauer, V. K. Yachandra, Biochemistry 2002, 41, 12928.
6. H. Dau, P. Liebisch, M. Haumann, Phys. Chem. Chem. Phys. 2004, 6, 4781.
7. J. Yano, Y. Pushkar, P. Glatzel, A. Lewis, K. Sauer, J. Messinger, U. Bergmann, V. K. Yachandra, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 14974.
8. H. Dau, A. Grundmeier, P. Loja, M. Haumann, Philos. Trans. R. Soc. 2008, B363, 1237.
9. A. Zouni, H. T. Witt, J. Kern, P. Fromme, N. Krauss, W. Saenger, P. Orth, Nature 2001, 409, 739.
10. N. Kamiya, J. R. Shen, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2003, 100, 98.
11. K. Ferreira, T. Iverson, K. Maghlaoui, J. Baber, S. Iwata, Science 2004, 303, 1831.
12. J. Biesiadka, B. Loll, J. Kern, K. D. Irrgang, A. Zouni, Phys. Chem. Chem. Phys. 2004, 6, 4733.
13. B. Loll, J. Kern, W. Saenger, A. Zouni, J. Biesiadka, Nature 2005, 438, 1040.
14. R. Krivanek, J. Kern, A. Zouni, H. Dau, M. Haumann, Biochim. Biophys. Acta 2007, 1767, 520.
15. K. Kawakami, M. Iwai, M. Ikeuch, N. Kamiya, J. R. Shen, FEBS Lett. 2007, 581, 4983.
16. A. Guskov, J. Kern, A. Gabdulkhakov, M. Broser, A. Zouni, W. Saenger, Nat. Strut. Mol. Biol. 2009, 16, 334.
17. K. Kawakami, Y. Umena, N. Kamiya, J. R. Shen, Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2009, 106, 8567.
18. J. H. Robblee, J. Messinger, R. M. Cinco, K. L. McFarlane, C. C. Fernandez, S. A. Pizarro, K. Sauer, V. K. Yachandra, J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 7459.
19. J.-H. Su, J. Messinger, Appl. Magn. Reson. 2010, 37, 123.
20. W. Lubitz, E. J. Reijerse, J. Messinger, Energy Environ. Sci. 2008, 1, 15.
21. L. V. Kulik, B. Epel, W. Lubitz, J. Messinger, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 2392.
22. L. V. Kulik, B. Epel, J. Messinger, Biochem. J. 2005, 44, 9368.
23. L. V. Kulik, B. Epel, W. Rubitz, J. Messinger, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 13421.
24. J. M. Peloguin, K. A. Campbell, D. W. Randall, M. A. Evanchik, V. L. Pecoraro, W. H. Armstrong, R. D. Britt, J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 10926.
25. J. M. Peloguin, R. D. Britt, Biochem. Biophys. Acta, 2001, 1503, 96.
26. R. D. Britt, K. A. Cambell, J. M. Peloguin, M. L. Gilchrist, C. P. Aznar, M. M. Dicus, J. Robblee, J. Messinger, Biochem. Biophys. Acta 2004, 1655, 158.
27. Y. Umena, K. Kawakami, J. R. Shen, N. Kamiya, Nature 2011, 473, 55.
28. B. Kok, B. Forbush, M. McGloin, Photochem. Photobiol. 1970, 11, 457.
29. K. Kanda, S. Yamanaka, T. Saito, Y. Umena, K. Kawakami, J.-R. Shen, N. Kamiya, M. Okumura, H. Nakamura, K. Yamaguchi, Chem. Phys. Lett. 2011, 506, 98.
30. S. Yamanaka, H. Isobe, K. Kanda, T. Saito, Y. Umena, K. Kawakami, J.-R. Shen, N. Kamiya, M. Okumura, H. Nakamura, K. Yamaguchi, Chem. Phys. Lett. 2011, 511, 138.
31. T. Saito, M. Shoji, K. Kanda, H. Isobe, S. Yamanaka, Y. Kitagawa, S. Yamada, T. Kawakami, M. Okumura, K. Yamaguchi, Int. J. Quantum Chem. 2012, 112, 121.
32. T. Saito, S. Yamanaka, K. Kanda, H. Isobe, Y. Takano, Y. Shigeta, Y. Umena, K. Kawakami, J.-R. Shen, N. Kamiya, M. Okumura, M. Shoji, Y. Yoshioka, H. Nakamura, K. Yamaguchi, Int. J. Quantum Chem. 2012, 112, 253.
33. S. Yamanaka, T. Saito, H. Isobe, K. Kanda, T. Saito, Y. Umena, K. Kawakami, J.-R. Shen, N. Kamiya, M. Okumura, H. Nakamura, K. Yamaguchi, Int. J. Quantum Chem. 2012, 112, 321.
34. T. Ichino, K. Yamaguchi, Y. Yoshioka, Chem. Lett. 2012, 41, 18.
35. K. Yamaguchi, T. Saito, S. Yamanaka, K. Kanda, H. Isobe, Y. Takano, Y. Shigeta, Y. Umena, K. Kawakami, J.-R. Shen, N. Kamiya, M. Okumura, M. Shoji, Y. Yoshioka, Nakamura, Int. J. Quantum Chem. (in press).
36. K. Yamaguchi, H. Isobe, S. Yamanaka, T. Saito, K. Kanda, Y. Umena, K. Kawakami, Shen, J. -R., N. Kamiya, M. Okumura, Int. J. Quantum Chem. Doi: 10.1002/qua.24117.
37. S. W. Gestern, G. J. Samuels, T. J. Meyer, J. Am. Chem. Soc. 1982, 104, 4029.
38. J. A. Gilbert, D. S. Eggleston, W. R. Murphy, mJr., D. A. Geselowwitz, S. W. Gestrrn, D. J. Hodgson, T. J. Meyer, J. Am. Chem. Soc. 1985, 107, 3855.
39. A. Llobet, M. E. Curry, H. T. Evans, T. Meyer, J. Inorg. Chem. 1989, 28, 3131.
40. D. Geselowitz, T. Meyer, J. Inorg. Chem. 1990, 29, 3894.
41. E. L. Lebeau, S. A. Adeyemi, T. Meyer, J. Inorg. Chem. 1998, 37, 6476.
42. T. J. Meyer, M. H. V. Huynh, Inorg. Chem. 2003, 42, 8140.
43. J. J. Concepcion, J. W. Jurss, J. L. Templeton, T. J. Meyer, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 16462.
44. Z. Chen, J. J. Concepcion, J. W. Jurss, J. L. Templeton, T. J. Meyer, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 15580.
45. J. Conception, J. W. Jurss, M. K. Brennaman, P. G. Hoertz, A. O. T. Patrocinio, N. Y. M. Iha, J. L. Templeton, T. J. Meyer, Acc. Chem. Res. 2009, 42, 1954.
46. F. P. Rotzinger, S. Munavalli, P. Comte, J. K. Hurst, M. Graetzel, F.-J. Pern, A. J. Frank, J. Am. Chem. Soc. 1987, 109, 6619.
47. J. P. Collin, J. P. Sauvage, Inorg. Chem. 1986, 25, 135.
48. H. H. Petach, M. J. Elliot, Electrochem. Soc. 1992, 139, 2217.
49. C. Sens, M. Rodriguet, I. Romero, A. Llobet, T. Parella, B. P. Sullivan, J. Benet-Buchholz, Inorg. Chem. 2003, 42, 2040.
50. C. Sens, M. Rodriguet, I. Romero, A. Llobet, T. Parella, B. P. Sullivan, J. Benet-Buchholz, Inorg. Chem. 2003, 42, 8385.
51. I. Romero, M. Rodriquez, C. Sens, J. Mola, M. R. Kollipara, L. Francas, E. Mas-Marza, L. Escriche, A. Llobet, Inorg. Chem. 2008, 47, 1824.
52. S. Romain, F. Bozoglina, X. Sala, A. Llobet, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 2768.
53. X. Sala, I. Romero, M. Rodriguez, L. Escriche, A. Llobet, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2009, 48, 2849.
54. R. Zong, R. P. Thummel, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 12802.
55. H.-W. Tseng, R. Zong, J. L. Muckerman, R. P. Thummel, Inorg. Chem. 2008, 47, 11763.
56. K. Kobayashi, H. Ohtsu, T. Wada, T. Kato, K. Tanaka, J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 6729.
57. T. Wada, M. Yamanaka, T. Fujihara, Y. Miyazato, K. Tanaka, Inorg. Chem. 2006, 45, 8887.
58. K. Kobayashi, H. Ohtsu, T. Wada, K. Tanaka, Chem. Lett. 2002, 868.
59. T. Wada, K. Tsuge, K. Tanaka, Chem. Lett. 2000, 910.
60. T. Wada, K. Tsuge, K. Tanaka, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2000, 39, 1479.
61. T. Wada, K. Tsuge, K. Tanaka, Inorg. Chem. 2001, 40, 329.
62. T. Wada, K. Tanaka, Chem. Eur. J. 2012, 18, 2374.
63. X. Yang, M. H. Baik, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 13222.
64. X. Yang, M. H. Baik, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 7476.
65. X. Yang, M. H. Baik, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 16231.
66. J. T. Muckerman, D. E. Polyansky, T. Wada, K. Tanaka, E. Fujita, Inorg. Chem. 2008, 47, 1787.
67. F. Bozoglian, S. Romain, M. Z. Erterm, T. K. Todorova, C. Sens, J. Mola, M. Rodriguez, I. Romero, Benet-J. Buchholz, X. Fontrodona, C. J. Cramer, L. Gagliardi, A. Llobet, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 15176.
68. S. Ghosh, M. H. Baik, Inorg. Chem. 2011, 50, 5946.
69. X. Li, X. G. Chen, S. Schinzel, R. E. M. Siegbahn, JCS Dalton Trans. 2011, 40, 11296
70. P. Jaque, A. V. Marenich, C. J. Cramer, D. G. Truhlar, J. Phys. Chem. C 2007, 126, 13222.
71. M. J. Frisch, G. W. Trucks, H. B. Schlegel, G. E. Scuseria, M. A. Robb, J. R. Cheeseman, G. Scalmani, V. Barone, B. Mennucci, G. A. Petersson, H. Nakatsuji, M. Caricato, X. Li, H. P. Hratchian, A. F. Izmaylov, J. Bloino, G. Zheng, J. L. Sonnenberg, M. Hada, M. Ehara, K. Toyota, R. Fukuda, J. Hasegawa, M. Ishida, T. Nakajima, Y. Honda, O. Kitao, H. Nakai, T. Vreven, J. A. Montgomery, Jr., J. E. Peralta, F. Ogliaro, M. Bearpark, J. J. Heyd, E. Brothers, K. N. Kudin, V. N. Staroverov, T. Keith, R. Kobayashi, J. Normand, K. Raghavachari, A. Rendell, J. C. Burant, S. S. Iyengar, J. Tomasi, M. Cossi, N. Rega, J. M. Millam, M. Klene, J. E. Knox, J. B. Cross, V. Bakken, C. Adamo, J. Jaramillo, R. Gomperts, R. E. Stratmann, O. Yazyev, A. J. Austin, R. Cammi, C. Pomelli, J. W. Ochterski, R. L. Martin, K. Morokuma, V. G. Zakrzewski, G. A. Voth, P. Salvador, J. J. Dannenberg, S. Dapprich, A. D. Daniels, O. Farkas, J. B. Foresman, J. V. Ortiz, J. Cioslowski, and, D. J. Fox, Gaussian 09, Revision B.01. Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2010.
72. V. L. Pecoraro, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1989, 28, 1153.
73. K. Wieghhardt, Photochem. Photobiol. 1988, 48, 249.
74. K. Yamaguchi, Y. Takahara, Fueno, T., Appl. Quantum Chem. (, V. H. Smith, et al, Eds. Reidel, 1986) p 155.
75. S. Nishihara, S. Yamanaka, K. Kusakabe, K. Nakata, Y. Yonezawa, H. Nakamura, K. Yamaguchi, J. Phys. Condens. Matter 2009, 21, 064227.
76. S. Yamanaka, S. Nishihara, K. Nakata, Y. Yonezawa, M. Okumura, T. Takada, H. Nakamura, K. Yamaguchi, Int. J. Quantum Chem. 2009, 109, 3811.
77. T. Takabe, K. Yamaguchi, Chem. Phys. Lett. 1976, 40, 347.
78. T. Takabe, K. Takenaka, K. Yamaguchi, T. Fueno, Chem. Phys. Lett. 1976, 44, 65.
79. K. Yamaguchi, T. Fueno, Chem. Phys. 1977, 23, 375.
80. K. Yamaguchi, F. Jensen, A. A. Dorigo, K. N. Houk, Chem. Phys. Lett. 1988, 149, 537.
81. T. Soda, Y. Kitagawa, T. Onishi, Y. Takano, Y. Shigeta, H. Nagao, Y. Yoshioka, K. Yamaguchi, Chem. Phys. Lett. 2000, 319, 223.
82. M. Shoji, K. Koizumi, Y. Kitagawa, T. Kawakami, S. Yamanaka, M. Okumura, K. Yamaguchi, Chem. Phys. Lett. 2006, 432, 343.
83. K. Yamaguchi, S. Yamanaka, H. Isobe, M. Shoji, T. Saito, Y. Kitagawa, M. Okumura, J. Shimada, Int. J. Quantum Chem. 2009, 109, 3723.
84. H. Isobe, S. Yamanaka, M. Okumura, K. Yamaguchi, J. Shimada, J. Phys. Chem. B. 2011, 115, 10730.
85. K. Yamaguchi, S. Yamanaka, H. Isobe, M. Shoji, K. Koizumi, Y. Kitagawa, T. Kawakami, M. Okumura, Polyhedron 2007, 26, 2216.
86. J. Yano, J. Kern, K. Sauer, M. J. Latimer, Y. Pushkar, J. Biesiadka, B. Loll, W. Saenger, J. Messinger, A. Zouni, V. K. Yachandra, Science 2006, 314, 821.
87. P. E. M. Siegbahn, Chen. Eur. J. 2006, 12, 9217.
88. P. E. M. Siegbahn, Acc. Chem. Res. 2009, 42, 1871.
89. K. Koizumi, M. Shoji, Y. Nishiyama, Y. Maruno, Y. Kitagawa, K. Soda, S. Yamanaka, M. Okumura, K. Yamaguchi, Int. J. Quantum Chem. 2004, 100, 943.
90. H. Isobe, M. Shoji, K. Koizumi, Y. Kitagawa, S. Yamanaka, S. Kuramitsu, K. Yamaguchi, Polyhedron 2005, 24, 2767.
91. K. Yamaguchi, M. Shoji, T. Saito, H. Isobe, S. Nishihara, K. Koizumi, S. Yamada, T. Kawakami, Y. Kitagawa, S. Yamanaka, M. Okumura, Int. J. Quantum Chem. 2010, 110, 3101.
92. J. Barber, J. W. Murray, Philos. Trans. R. Soc. 2008, B363, 1129.
93. E. M. Sproviero, J. A. Gascon, J. P. McEvoy, G. W. Brudvig, V. S. Batista, J. Inorg. Biochem. 2006, 100, 786.
94. E. M. Sprovierro, J. A. Gascon, J. P. McEvoy, G. W. Brudvig, V. S. Batista, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 3428.
95. S. Petrie, R. Stranger, R. J. Pace, Chem. Eur. J. 2007, 13, 5082.
96. S. Petrie, R. Stranger, R. J. Pace, Chem. Eur. J. 2008, 14, 548.
97. S. Zein, L. V. Kulik, J. Yano, J. Kern, Y. Pushkar, A. Zouni, V. K. Yachandra, W. Libitz, F. Neese, J. Messinger, Philos. Trans. R. Soc. 2008, B 363, 1167.