Synthetic cluster models of biological and heterogeneous manganese catalysts for O2 evolution

Inorganic Chemistry

Volumn 52, Issue 24, 2013, Pages 13833-13848

  Tsui, Emily Y ^a   Kanady, Jacob S ^a   Agapie, Theodor ^a  

^a California Institute of Technology   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

CALCIUM; COORDINATION COMPOUND; MANGANESE; OXYGEN;

ARTICLE; CATALYSIS; CHEMICAL STRUCTURE; CHEMISTRY; METABOLISM; X RAY DIFFRACTION;

CALCIUM; CATALYSIS; COORDINATION COMPLEXES; MANGANESE; MODELS, MOLECULAR; OXYGEN; X-RAY DIFFRACTION;

EID: 84890690094     PISSN: 00201669     EISSN: 1520510X     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/ic402236f     Document Type: Article

References (150)

1. Wydrzynski, T. J.; Satoh, K. Photosystem II: The Light-Driven Water: Plastoquinone Oxidoreductase; Springer: Dordrecht, The Netherlands, 2005; Vol. 22.
2. McEvoy, J. P.; Brudvig, G. W. Chem. Rev. 2006, 106, 4455
3. Brudvig, G. W. Philos. Trans. R. Soc., B 2008, 363, 1211
4. Joliot, P.; Barbieri, G.; Chabaud, R. Photochem. Photobiol. 1969, 10, 309
5. Kok, B.; Forbush, B.; Mcgloin, M. Photochem. Photobiol. 1970, 11, 457
6. Symes, M. D.; Surendranath, Y.; Lutterman, D. A.; Nocera, D. G. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 5174
7. Risch, M.; Klingan, K.; Ringleb, F.; Chernev, P.; Zaharieva, I.; Fischer, A.; Dau, H. ChemSusChem 2012, 5, 542
8. Zaharieva, I.; Najafpour, M. M.; Wiechen, M.; Haumann, M.; Kurz, P.; Dau, H. Energy Environ. Sci. 2011, 4, 2400
9. Wiechen, M.; Zaharieva, I.; Dau, H.; Kurz, P. Chem. Sci. 2012.
10. Zaharieva, I.; Chernev, P.; Risch, M.; Klingan, K.; Kohlhoff, M.; Fischer, A.; Dau, H. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 7081
11. Najafpour, M. M.; Ehrenberg, T.; Wiechen, M.; Kurz, P. Angew. Chem., Int. Ed. 2010, 49, 2233
12. Najafpour, M. M.; Nayeri, S.; Pashaei, B. Dalton Trans. 2011, 40, 9374
13. Shevela, D.; Koroidov, S.; Najafpour, M. M.; Messinger, J.; Kurz, P. Chem.-Eur. J. 2011, 17, 5415
14. Najafpour, M. M.; Pashaei, B.; Nayeri, S. Dalton Trans. 2012, 41, 4799
15. Suntivich, J.; May, K. J.; Gasteiger, H. A.; Goodenough, J. B.; Shao-Horn, Y. Science 2011, 334, 1383
16. Smith, R. D. L.; Prévot, M. S.; Fagan, R. D.; Zhang, Z.; Sedach, P. A.; Siu, M. K. J.; Trudel, S.; Berlinguette, C. P. Science 2013, 340, 60
17. Liang, Y.; Wang, H.; Zhou, J.; Li, Y.; Wang, J.; Regier, T.; Dai, H. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 3517
18. Suntivich, J.; Gasteiger, H. A.; Yabuuchi, N.; Nakanishi, H.; Goodenough, J. B.; Shao-Horn, Y. Nat. Chem. 2011, 3, 546
19. Hamdani, M.; Singh, R. N.; Chartier, P. Int. J. Electrochem. Sci. 2010, 5, 556
20. Goodenough, J. B.; Kim, Y. Chem. Mater. 2009, 22, 587
21. Whittingham, M. S. Chem. Rev. 2004, 104, 4271
22. Reddy, M. V.; Subba Rao, G. V.; Chowdari, B. V. R. Chem. Rev. 2013, 113, 5364
23. Melot, B. C.; Tarascon, J. M. Acc. Chem. Res. 2013, 46, 1226
24. Kirby, J. A.; Robertson, A. S.; Smith, J. P.; Thompson, A. C.; Cooper, S. R.; Klein, M. P. J. Am. Chem. Soc. 1981, 103, 5529
25. Kirby, J. A.; Goodin, D. B.; Wydrzynski, T.; Robertson, A. S.; Klein, M. P. J. Am. Chem. Soc. 1981, 103, 5537
26. Yachandra, V. K.; Sauer, K.; Klein, M. P. Chem. Rev. 1996, 96, 2927
27. Sauer, K.; Yano, J.; Yachandra, V. Photosynth. Res. 2005, 85, 73
28. Yano, J.; Kern, J.; Sauer, K.; Latimer, M. J.; Pushkar, Y.; Biesiadka, J.; Loll, B.; Saenger, W.; Messinger, J.; Zouni, A.; Yachandra, V. K. Science 2006, 314, 821
29. Messinger, J.; Nugent, J. H. A.; Evans, M. C. W. Biochemistry 1997, 36, 11055
30. Messinger, J.; Robblee, J. H.; Yu, W. O.; Sauer, K.; Yachandra, V. K.; Klein, M. P. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 11349
31. Peloquin, J. M.; Campbell, K. A.; Randall, D. W.; Evanchik, M. A.; Pecoraro, V. L.; Armstrong, W. H.; Britt, R. D. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 10926
32. Dismukes, G. C.; Siderer, Y. FEBS Lett. 1980, 121, 78
33. Dismukes, G. C.; Siderer, Y. Proc. Natl. Acad. Sci.-Biol. 1981, 78, 274
34. Dismukes, G. C.; Ferris, K.; Watnick, P. Photobiochem. Photobiophys. 1982, 3, 243
35. Ferreira, K. N.; Iverson, T. M.; Maghlaoui, K.; Barber, J.; Iwata, S. Science 2004, 303, 1831
36. Umena, Y.; Kawakami, K.; Shen, J. R.; Kamiya, N. Nature 2011, 473, 55
37. Luber, S.; Rivalta, I.; Umena, Y.; Kawakami, K.; Shen, J.-R.; Kamiya, N.; Brudvig, G. W.; Batista, V. S. Biochemistry 2011, 50, 6308
38. Ames, W.; Pantazis, D. A.; Krewald, V.; Cox, N.; Messinger, J.; Lubitz, W.; Neese, F. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 19743
39. Yano, J.; Kern, J.; Irrgang, K.-D.; Latimer, M. J.; Bergmann, U.; Glatzel, P.; Pushkar, Y.; Biesiadka, J.; Loll, B.; Sauer, K.; Messinger, J.; Zouni, A.; Yachandra, V. K. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2005, 102, 12047
40. Kusunoki, M. J. Photochem. Photobiol. B 2011, 104, 100
41. Pantazis, D. A.; Ames, W.; Cox, N.; Lubitz, W.; Neese, F. Angew. Chem., Int. Ed. 2012, 51, 9935
42. Siegbahn, P. E. M. Chem.-Eur. J. 2008, 14, 8290
43. Grundmeier, A.; Dau, H. Biochim. Biophys. Acta, Bioenerg. 2012, 1817, 88
44. Messinger, J.; Badger, M.; Wydrzynski, T. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1995, 92, 3209
45. Hillier, W.; Messinger, J.; Wydrzynski, T. Biochemistry 1998, 37, 16908
46. Rapatskiy, L.; Cox, N.; Savitsky, A.; Ames, W. M.; Sander, J.; Nowaczyk, M. M.; Rögner, M.; Boussac, A.; Neese, F.; Messinger, J.; Lubitz, W. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 16619
47. Dasgupta, J.; van Willigen, R. T.; Dismukes, G. C. Phys. Chem. Chem. Phys. 2004, 6, 4793
48. Vincent, J. B.; Christou, G. Inorg. Chim. Acta 1987, 136, L41
49. Brudvig, G. W.; Crabtree, R. H. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1986, 83, 4586
50. Pecoraro, V. L.; Baldwin, M. J.; Caudle, M. T.; Hsieh, W. Y.; Law, N. A. Pure Appl. Chem. 1998, 70, 925
51. Vrettos, J. S.; Limburg, J.; Brudvig, G. W. Biochim. Biophys. Acta, Bioenerg. 2001, 1503, 229
52. Vrettos, J. S.; Stone, D. A.; Brudvig, G. W. Biochemistry 2001, 40, 7937
53. Siegbahn, P. E. M.; Crabtree, R. H. J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 117
54. Siegbahn, P. E. M. Philos. Trans. R. Soc., B 2008, 363, 1221
55. Sproviero, E. M.; Gascón, J. A.; McEvoy, J. P.; Brudvig, G. W.; Batista, V. S. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 3428
56. Siegbahn, P. E. M. Acc. Chem. Res. 2009, 42, 1871
57. Ghanotakis, D. F.; Babcock, G. T.; Yocum, C. F. FEBS Lett. 1984, 167, 127
58. Boussac, A.; Zimmermann, J. L.; Rutherford, A. W. Biochemistry 1989, 28, 8984
59. Yocum, C. F. Biochim. Biophys. Acta, Bioenerg. 1991, 1059, 1
60. Yocum, C. F. Coord. Chem. Rev. 2008, 252, 296
61. Boussac, A.; Rutherford, A. W. Biochemistry 1988, 27, 3476
62. Pushkar, Y.; Yano, J.; Sauer, K.; Boussac, A.; Yachandra, V. K. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2008, 105, 1879
63. Cox, N.; Rapatskiy, L.; Su, J.-H.; Pantazis, D. A.; Sugiura, M.; Kulik, L.; Dorlet, P.; Rutherford, A. W.; Neese, F.; Boussac, A.; Lubitz, W.; Messinger, J. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 3635
64. Lee, C.-I.; Lakshmi, K. V.; Brudvig, G. W. Biochemistry 2007, 46, 3211
65. Yachandra, V. K.; Yano, J. J. Photochem. Photobiol. B 2011, 104, 51
66. Riggs-Gelasco, P. J.; Mei, R.; Ghanotakis, D. F.; Yocum, C. F.; Penner-Hahn, J. E. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 2400
67. Lohmiller, T.; Cox, N.; Su, J.-H.; Messinger, J.; Lubitz, W. J. Biol. Chem. 2012, 287, 24721
68. Kanan, M. W.; Yano, J.; Surendranath, Y.; Dincǎ, M.; Yachandra, V. K.; Nocera, D. G. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 13692
69. Wieghardt, K. Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1989, 28, 1153
70. Cady, C. W.; Crabtree, R. H.; Brudvig, G. W. Coord. Chem. Rev. 2008, 252, 444
71. Sproviero, E. M.; Gascón, J. A.; McEvoy, J. P.; Brudvig, G. W.; Batista, V. S. Coord. Chem. Rev. 2008, 252, 395
72. Christou, G. Acc. Chem. Res. 1989, 22, 328
73. Pecoraro, V. L.; Baldwin, M. J.; Gelasco, A. Chem. Rev. 1994, 94, 807
74. Manchanda, R.; Brudvig, G. W.; Crabtree, R. H. Coord. Chem. Rev. 1995, 144, 1
75. Yagi, M.; Kaneko, M. Chem. Rev. 2000, 101, 21
76. Mukhopadhyay, S.; Mandal, S. K.; Bhaduri, S.; Armstrong, W. H. Chem. Rev. 2004, 104, 3981
77. Wu, A. J.; Penner-Hahn, J. E.; Pecoraro, V. L. Chem. Rev. 2004, 104, 903
78. Mullins, C. S.; Pecoraro, V. L. Coord. Chem. Rev. 2008, 252, 416
79. Plaksin, P. M.; Stoufer, R. C.; Mathew, M.; Palenik, G. J. J. Am. Chem. Soc. 1972, 94, 2121
80. Cooper, S. R.; Calvin, M. J. Am. Chem. Soc. 1977, 99, 6623
81. Cooper, S. R.; Dismukes, G. C.; Klein, M. P.; Calvin, M. J. Am. Chem. Soc. 1978, 100, 7248
82. Kirby, J. A.; Robertson, A. S.; Smith, J. P.; Thompson, A. C.; Cooper, S. R.; Klein, M. P. J. Am. Chem. Soc. 1981, 103, 5529
83. Dismukes, G. C.; Siderer, Y. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1981, 78, 274
84. Guiles, R. D.; Zimmermann, J. L.; McDermott, A. E.; Yachandra, V. K.; Cole, J. L.; Dexheimer, S. L.; Britt, R. D.; Wieghardt, K.; Bossek, U. Biochemistry 1990, 29, 471
85. Chan, M. K.; Armstrong, W. H. J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 5055
86. Chen, H.; Faller, J. W.; Crabtree, R. H.; Brudvig, G. W. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 7345
87. Philouze, C.; Blondin, G.; Girerd, J.-J.; Guilhem, J.; Pascard, C.; Lexa, D. J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 8557
88. Limburg, J.; Brudvig, G. W.; Crabtree, R. H. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 2761
89. Limburg, J.; Vrettos, J. S.; Liable-Sands, L. M.; Rheingold, A. L.; Crabtree, R. H.; Brudvig, G. W. Science 1999, 283, 1524
90. Limburg, J.; Vrettos, J. S.; Chen, H.; de Paula, J. C.; Crabtree, R. H.; Brudvig, G. W. J. Am. Chem. Soc. 2000, 123, 423
91. Vincent, J. B.; Christmas, C.; Chang, H. R.; Li, Q.; Boyd, P. D. W.; Huffman, J. C.; Hendrickson, D. N.; Christou, G. J. Am. Chem. Soc. 1989, 111, 2086
92. Vincent, J. B.; Christmas, C.; Huffman, J. C.; Christou, G.; Chang, H.-R.; Hendrickson, D. N. J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1987, 0, 236
93. Li, Q.; Vincent, J. B.; Libby, E.; Chang, H.-R.; Huffman, J. C.; Boyd, P. D. W.; Christou, G.; Hendrickson, D. N. Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1988, 27, 1731
94. Ruettinger, W. F.; Campana, C.; Dismukes, G. C. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 6670
95. Dismukes, G. C.; Brimblecombe, R.; Felton, G. A. N.; Pryadun, R. S.; Sheats, J. E.; Spiccia, L.; Swiegers, G. F. Acc. Chem. Res. 2009, 42, 1935
96. Brimblecombe, R.; Swiegers, G. F.; Dismukes, G. C.; Spiccia, L. Angew. Chem., Int. Ed. 2008, 47, 7335
97. Hocking, R. K.; Brimblecombe, R.; Chang, L.-Y.; Singh, A.; Cheah, M. H.; Glover, C.; Casey, W. H.; Spiccia, L. Nat. Chem. 2011, 3, 461
98. Wieghardt, K.; Bossek, U.; Gebert, W. Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1983, 22, 328
99. Dubé, C. E.; Wright, D. W.; Pal, S.; Bonitatebus, P. J., Jr.; Armstrong, W. H. J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 3704
100. Mishra, A.; Wernsdorfer, W.; Abboud, K. A.; Christou, G. Chem. Commun. 2005, 54
101. Mishra, A.; Yano, J.; Pushkar, Y.; Yachandra, V. K.; Abboud, K. A.; Christou, G. Chem. Commun. 2007, 1538
102. Hewitt, I. J.; Tang, J.-K.; Madhu, N. T.; Clerac, R.; Buth, G.; Anson, C. E.; Powell, A. K. Chem. Commun. 2006, 2650
103. Nayak, S.; Nayek, H. P.; Dehnen, S.; Powell, A. K.; Reedijk, J. Dalton Trans. 2011, 40, 2699
104. Park, Y. J.; Ziller, J. W.; Borovik, A. S. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 9258
105. Mukherjee, S.; Stull, J. A.; Yano, J.; Stamatatos, T. C.; Pringouri, K.; Stich, T. A.; Abboud, K. A.; Britt, R. D.; Yachandra, V. K.; Christou, G. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2012, 109, 2257
106. Park, Y. J.; Cook, S. A.; Sickerman, N. S.; Sano, Y.; Ziller, J. W.; Borovik, A. S. Chem. Sci. 2013, 4, 717
107. Mishra, A.; Pushkar, Y.; Yano, J.; Yachandra, V. K.; Wernsdorfer, W.; Abboud, K. A.; Christou, G. Inorg. Chem. 2008, 47, 1940
108. Kotzabasaki, V.; Siczek, M.; Lis, T.; Milios, C. J. Inorg. Chem. Commun. 2011, 14, 213
109. Koumousi, E. S.; Mukherjee, S.; Beavers, C. M.; Teat, S. J.; Christou, G.; Stamatatos, T. C. Chem. Commun. 2011, 47, 11128
110. Jerzykiewicz, L. B.; Utko, J.; Duczmal, M.; Sobota, P. Dalton Trans. 2007, 825
111. Li, N.; Wang, M.; Ma, C.-B.; Hu, M.-Q.; Zhou, R.-W.; Chen, H.; Chen, C.-N. Inorg. Chem. Commun. 2010, 13, 730
112. Lacy, D. C.; Park, Y. J.; Ziller, J. W.; Yano, J.; Borovik, A. S. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 17526
113. Chen, J.; Lee, Y.-M.; Davis, K. M.; Wu, X.; Seo, M. S.; Cho, K.-B.; Yoon, H.; Park, Y. J.; Fukuzumi, S.; Pushkar, Y. N.; Nam, W. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 6388
114. Yoon, H.; Lee, Y.-M.; Wu, X.; Cho, K.-B.; Sarangi, R.; Nam, W.; Fukuzumi, S. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 9186
115. Fukuzumi, S.; Morimoto, Y.; Kotani, H.; Naumov, P.; Lee, Y. M.; Nam, W. Nat. Chem. 2010, 2, 756
116. Morimoto, Y.; Kotani, H.; Park, J.; Lee, Y. M.; Nam, W.; Fukuzumi, S. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 403
117. Leeladee, P.; Baglia, R. A.; Prokop, K. A.; Latifi, R.; de Visser, S. P.; Goldberg, D. P. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 10397
118. Stack, T. D. P.; Holm, R. H. J. Am. Chem. Soc. 1987, 109, 2546
119. Venkateswara Rao, P.; Holm, R. H. Chem. Rev. 2003, 104, 527
120. Stack, T. D. P.; Holm, R. H. J. Am. Chem. Soc. 1988, 110, 2484
121. Ciurli, S.; Carrie, M.; Weigel, J. A.; Carney, M. J.; Stack, T. D. P.; Papaefthymiou, G. C.; Holm, R. H. J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 2654
122. Zhou, J.; Raebiger, J. W.; Crawford, C. A.; Holm, R. H. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 6242
123. Stamatatos, T. C.; Efthymiou, C. G.; Stoumpos, C. C.; Perlepes, S. P. Eur. J. Inorg. Chem. 2009, 2009, 3361
124. Tsui, E. Y.; Day, M. W.; Agapie, T. Angew. Chem., Int. Ed. 2011, 50, 1668
125. Tsui, E. Y.; Kanady, J. S.; Day, M. W.; Agapie, T. Chem. Commun. 2011, 47, 4189
126. Kanady, J. S.; Tsui, E. Y.; Day, M. W.; Agapie, T. Science 2011, 333, 733
127. Wang, S.; Huffman, J. C.; Folting, K.; Streib, W. E.; Lobkovsky, E. B.; Christou, G. Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1991, 30, 1672
128. Wang, S.; Tsai, H.-L.; Hagen, K. S.; Hendrickson, D. N.; Christou, G. J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 8376
129. Aubin, S. M. J.; Wemple, M. W.; Adams, D. M.; Tsai, H.-L.; Christou, G.; Hendrickson, D. N. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 7746
130. Aromi, G.; Wemple, M. W.; Aubin, S. J.; Folting, K.; Hendrickson, D. N.; Christou, G. J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 5850
131. Aliaga-Alcalde, N.; Edwards, R. S.; Hill, S. O.; Wernsdorfer, W.; Folting, K.; Christou, G. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 12503
132. Kanady, J. S.; Tran, R.; Stull, J. A.; Lu, L.; Stich, T. A.; Day, M. W.; Yano, J.; Britt, R. D.; Agapie, T. Chem. Sci. 2013, 4, 3986-3996
133. Caudle, M. T.; Pecoraro, V. L. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 3415
134. Tsui, E. Y.; Tran, R.; Yano, J.; Agapie, T. Nat. Chem. 2013, 5, 293
135. Kanady, J. S.; Mendoza-Cortes, J. L.; Tsui, E. Y.; Nielsen, R. J.; Goddard, W. A.; Agapie, T. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 1073
136. Tsui, E. Y.; Agapie, T. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2013, 110, 10084
137. Cheniae, G. M.; Martin, I. F. Biochem. Biophys. Res. Commun. 1967, 28, 89
138. Siegbahn, P. E. M. Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 4849
139. Hillier, W.; Wydrzynski, T. Phys. Chem. Chem. Phys. 2004, 6, 4882
140. Tagore, R.; Chen; Crabtree, R. H.; Brudvig, G. W. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 9457
141. Tagore, R.; Crabtree, R. H.; Brudvig, G. W. Inorg. Chem. 2007, 46, 2193
142. Ohlin, C. A.; Brimblecombe, R.; Spiccia, L.; Casey, W. H. Dalton Trans. 2009, 0, 5278
143. Pecoraro, V. L.; Hsieh, W. Y. In Manganese and Its Role in Biological Systems; Sigel, A.; Sigel, H., Eds.; Marcel Dekker, Inc.: New York, 2000; Vol. 37, p 429.
144. Siegbahn, P. E. M. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 9442
145. Fukuzumi, S. In Progress in Inorganic Chemistry; Karlin, K. D., Ed.; John Wiley & Sons Inc.: New York, 2009; Vol. 56, p 49.
146. Fukuzumi, S.; Ohkubo, K. Coord. Chem. Rev. 2010, 254, 372
147. Fukuzumi, S.; Ohkubo, K. Chem.-Eur. J. 2000, 6, 4532
148. Park, J.; Morimoto, Y.; Lee, Y. M.; Nam, W.; Fukuzumi, S. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 5236
149. Horwitz, C. P.; Ciringh, Y. Inorg. Chim. Acta 1994, 225, 191
150. Haumann, M.; Junge, W. Biochim. Biophys. Acta, Bioenerg. 1999, 1411, 121