Competitive oxygen-18 kinetic isotope effects expose O-O bond formation in water oxidation catalysis by monomeric and dimeric ruthenium complexes

Chemical Science

Volumn 5, Issue 3, 2014, Pages 1141-1152

  Angeles Boza, Alfredo M ^a   Ertem, Mehmed Z ^b   Sarma, Rupam ^a   Ibañez, Christian H ^a   Maji, Somnath ^c   Llobet, Antoni ^c   Cramer, Christopher J ^b   Roth, Justine P ^a  

^a JOHNS HOPKINS UNIVERSITY   (United States)

^b University of Minnesota   (United States)

^c INSTITUTE OF CHEMICAL RESEARCH OF CATALONIA ICIQ   (Spain)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

CARRIER MOBILITY; CATALYTIC OXIDATION; CHEMICAL BONDS; ISOTOPES; KINETICS; OXIDATION; RUTHENIUM; SOLAR POWER GENERATION;

BOND FORMATION; CRITICAL STEPS; KINETIC ISOTOPE EFFECTS; NATURAL ABUNDANCE; OXYGEN KINETICS; RUTHENIUM COMPLEXES; SOLAR HYDROGEN; WATER OXIDATION;

RUTHENIUM COMPOUNDS;

EID: 84893476275     PISSN: 20416520     EISSN: 20416539     Source Type: Journal    
DOI: 10.1039/c3sc51919h     Document Type: Article

References (115)

1. J. P. McEvoy G. W. Brudvig Chem. Rev. 2006 106 4455
2. J. J. Concepcion J. W. Jurss M. K. Brennaman P. G. Hoertz M. K. O. Patrocinio N. Y. M. Iha J. L. Templeton T. J. Meyer Acc. Chem. Res. 2009 42 1954
3. D. J. Wasylenko R. D. Palmer C. P. Berlinguette Chem. Commun. 2013 49 218
4. A. E. Clark J. K. Hurst Prog. Inorg. Chem. 2012 57 1
5. M.-Y. Ghosh Baik Angew. Chem. 2012 51 1221
6. Y. Xu A. Fischer L. Duan L. Tong E. Gabrielsson B. Aakermark L. Sun Angew. Chem. 2010 49 8934
7. R. Zong R. P. Thummel J. Am. Chem. Soc. 2005 127 12802
8. M. Calvin Acc. Chem. Res. 1978 10 369
9. A., Magnuson M. Anderlund O. Johansson P. Lindblad R. Lomoth T. Polivka S. Ott K. Stensjö S. Styring V. Sundström L. Hammarström Acc. Chem. Res. 2009 42 1899
10. P. D. Frischmann K. Mahata F. Wuerthner Chem. Soc. Rev. 2013 42 1847
11. V. Balzani A. Credi M. Venturi Curr. Opin. Chem. Biol. 1997 1 506
12. D. Gust T. A. Moore A. L. Moore Acc. Chem. Res. 2009 42 1890
13. N. S. Lewis D. G. Nocera Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2006 103 15729
14. M. G. Walter E. L. Warren J. R. McKone S. W. Boettcher Q. Mi E. A. Santori N. S. Lewis Chem. Rev. 2010 110 6446 6473
15. P. M. Cox R. A. Betts C. D. Jones S. A. Spall L. J. Totterdell Nature 2000 408 184
16. A. J. Weaver C. Hillaire-Marcel Science 2004 304 400
17. J. Hansen M. Sato R. Ruedy K. Lo D. W. Lea M. Medina-Elizade Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2006 103 14288
18. J. O. 'M. Bockris Int. J. Hydrogen Energy 2002 27 731
19. X. Liu F. Wang Coord. Chem. Rev. 2012 256 1115
20. X. Sala I. Romero M. Rodriguez L. Escriche A. Llobet Angew. Chem., Int. Ed. 2009 48 2842
21. G. C. Dismukes R. Brimblecombe G. A. N. Felton R. S. Pryadun J. E. Sheats L. Spiccia G. F. Swiegers Acc. Chem. Res. 2009 42 1935 1943
22. W. Ruttinger G. C. Dismukes Chem. Rev. 1997 97 1
23. M. H. V. Huynh T. J. Meyer Chem. Rev. 2007 107 5004
24. R. Sarma A. M. Angeles-Boza D. W. Brinkley J. P. Roth J. Am. Chem. Soc. 2012 134 15371
25. J. P. Roth Acc. Chem. Res. 2009 42 399
26. D. C. Ashley D. W. Brinkley Inorg. Chem. 2010 49 3661
27. R. D. Guy M. L. Fogel J. A. Berry Plant Physiol. 1993 101 37
28. K. Burda K. P. Bader G. H. Schmid Biochim. Biophys. Acta 2003 1557 77
29. H. Metzner K. Fischer O. Bazlen Biochim. Biophys. Acta, Bioenerg. 1979 548 287
30. D. Eisenstadt E. Barkan B. Luz A. Kaplan Photosynt. Res. 2010 103 97
31. G. Tcherkez G. D. Farquhar Funct. Plant Biol. 2007 34 1049
32. M. Dole G. Jenks Science 1944 100 409
33. M. D. Kamen H. A. Barker Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1945 31 8
34. B. Luz E. Barkan M. L. Bender M. H. Thiemens K. A. Boering Nature 1999 400 547
35. D. J. Wasylenko C. Ganesamoorthy B. D. Koivisto M. A. Henderson H. D. Osthoff C. P. Berlinguette J. Am. Chem. Soc. 2010 132 16094
36. S. Masaoka K. Sakai Chem. Lett. 2009 38 182
37. D. J. Wasylenko C. Ganesamoorthy M. A. Henderson C. P. Berlinguette Inorg. Chem. 2011 50 3622
38. D. J. Wasylenko C. Ganesamoorthy B. D. Koivisto M. A. Henderson C. P. Berlinguette Inorg. Chem. 2010 29 2202
39. J. L. Cape W. F. Siems J. K. Hurst J. L. Cape S. V. Lymar T. Lightbody J. K. Hurst Inorg. Chem. 2009 48 8729
40. H. Hamada W. F. Siems T. Koike J. K. Hurst J. Am. Chem. Soc. 2004 126 9786
41. R. A. Binstead C. W. Chronister J. Ni C. M. Hartshorn T. J. Meyer J. Am. Chem. Soc. 2000 122 8464
42. D. A. Geselowitz T. J. Meyer Inorg. Chem. 1990 29 3894
43. C. Sens I. Romero M. Rodriguez A. Llobet T. Parella J. Benet-Buchholz J. Am. Chem. Soc. 2004 126 7798
44. S. Romain F. Bozoglian X. Sala A. Llobet J. Am. Chem. Soc. 2009 131 2768
45. F. Bozoglian S. Romain M. Z. Ertem T. K. Todorova C. Sens J. Mola M. Rodriguez I. Romero J. Benet-Buchholz X. Fontrodona C. J. Cramer L. Gagliardi A. Llobet J. Am. Chem. Soc. 2009 131 15176
46. S. K. Mendiratta, R. L. Dotson and R. T. Brooker, Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, ed., A. Seidel, 5th edn, 2006, vol. 18, p. 274
47. A. M. Angeles-Boza J. P. Roth Inorg. Chem. 2012 51 4722
48. K. Binnemans, in Handbook on Physics and Chemistry of Rare Earths, ed., K. A. Gschneidner Jr, J-C. G. Bünzli, and, V. K. Pacharsky, Elsevier, London, England 2006, vol. 36
49. D. Moonshiram V. Purohit J. J. Concepcion T. J. Meyer Y. Pushkar Materials 2013 6 392
50. Z. Chen J. J. Concepcion Q. Hu W. Yang P. G. Hoertz T. J. Meyer Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2010 107 7225
51. J. L. Cape F. Siems J. K. Hurst Inorg. Chem. 2009 48 9729
52. P. Ghosh B. S. Brunschwig M. H. Chou C. Creutz N. Sutin J. Am. Chem. Soc. 1984 106 4772
53. S. W. Gersten G. J. Samuels T. J. Meyer J. Am. Chem. Soc. 1982 104 4029
54. V. V. Smirnov D. W. Brinkley M. P. Lanci K. D. Karlin J. P. Roth J. Mol. Catal. A: Chem. 2006 251 100
55. S. Epstein T. Mayeda Geochim. Cosmochim. Acta 1953 4 213
56. T. B. Coplen Nature 1995 375 285
57. M. H. O'Leary Phytochemistry 1981 20 553
58. J. P. Perdew, Unified Theory of Exchange and Correlation Beyond the Local Density Approximation, in Electronic Structure of Solids '91, ed., P. Ziesche, and, H. Eschrig, Akademie Verlag, Berlin, 1991, pp. 11-20
59. C. Adamo V. J. Barone Chem. Phys. 1998 108 664 675
60. P. J. Hay W. R. Wadt J. Chem. Phys. 1985 82 270
61. P. J. Hay W. R. Wadt J. Chem. Phys. 1985 82 284
62. P. J. Hay W. R. Wadt J. Chem. Phys. 1985 82 299
63. V. V. Smirnov M. P. Lanci J. P. Roth J. Phys. Chem. A 2009 113 1934
64. Y. Zhao D. G. Truhlar J. Chem. Phys. 2006 125 194101
65. Y. Zhao D. G. Truhlar Acc. Chem. Res. 2008 41 157
66. Y. Zhao D. G. Truhlar Theor. Chem. Acc. 2008 215
67. D. Andrae U. Haeussermann M. Dolg H. Stoll H. Preuss Theor. Chim. Acta 1990 77 123
68. W. J. Hehre, L. Radom, P. V. R. Schleyer and J. A. Pople, Ab Initio Molecular Orbital Theory, Wiley, New York, 1986
69. C. J. Cramer, Essentials of Computational Chemistry: Theories and Models, 2nd edn, John Wiley & Sons, Chichester, 2004
70. A. V. Marenich C. J. Cramer D. G. Truhlar J. Phys. Chem. B 2009 113 6378
71. T. Ziegler A. Rauk E. J. Baerends Theor. Chim. Acta 1977 43 261
72. L. Noodleman J. Chem. Phys. 1981 74 5737
73. C. J. Cramer D. G. Truhlar Phys. Chem. Chem. Phys. 2009 11 10757
74. K. Yamaguchi F. Jensen A. Dorigo K. N. Houk Chem. Phys. Lett. 1988 149 537
75. T. Soda Y. Kitagawa T. Onishi Y. Takano Y. Shigeta H. Nagao Y. Yoshioka K. Yamaguchi Chem. Phys. Lett. 2000 319 223
76. L. Noodleman C. Y. Peng D. A. Case J.-M. Mouesca Coord. Chem. Rev. 1995 144 199
77. I. Ciofini C. A. Daul Coord. Chem. Rev. 2003 238 187
78. J. N. Harvey Struct. Bonding 2004 112 151
79. F. Neese Coord. Chem. Rev. 2009 253 526
80. J. Bigeleisen M. Wolfsberg Adv. Chem. Phys. 1958 1 15
81. J. P. Roth and J. P. Klinman, Isotope Effects in Chemistry and Biology, ed., A. Kohen, and, H.-H. Limbach, CRC Press, Boca Raton, FL, 2006, pp. 645-670
82. M. Wolfsberg, Isotope Effects in Chemistry and Biology, ed., A. Kohen, and, H.-H. Limbach, CRC Press, Boca Raton, FL, 2006, pp. 1-39
83. W. W. Cleland, Isotope Effects in Chemistry and Biology, ed., A. Kohen, and, H.-H. Limbach, CRC Press, Boca Raton, FL, 2006, pp. 915-930
84. M. Wolfsberg, W. A. Van Hook, P. Paneth, Isotope Effects: In the Chemical, Geological, and Bio Sciences, Springer, New York, 2010
85. J. Bigeleisen M. Goeppert-Mayer J. Chem. Phys. 1947 15 261
86. W. P. Huskey, in Enzyme Mechanism from Isotope Effects, ed., P. F. Cook, CRC Press, Boca Raton, 1991, p. 37
87. J. A. Gilbert D. S. Eggleston W. R. Murphy D. A. Geselowitz S. W. Gersten D. J. Hodgson T. J. Meyer J. Am. Chem. Soc. 1985 107 3855
88. H. Yamada W. F. Siems T. Koike J. K. Hurst J. Am. Chem. Soc. 2004 126 9786
89. L. Duan F. Bozoglian S. Mandal B. Stewart T. Privalov A. Llobet L. Sun Nat. Chem. 2012 4 418
90. D. E. Polyansky J. T. Muckerman J. Rochford R. Zong R. P. Thummel E. Fujita J. Am. Chem. Soc. 2011 133 14649
91. M. Dooshaye I. Alperovich J. J. Concepcion T. J. Meyer Y. Pushkar Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2013 110 3765
92. M. Yoshida S. Masaoka J. Abe K. Sakai Chem. Asian J. 2010 5 2369
93. A. Kimoto K. Yamauchi M. Yoshida S. Masaoka K. Sakai Chem. Commun. 2012 48 239
94. A. C. Rutenburg H. Taube J. Chem. Phys. 1952 20 825
95. H. L. Friedman H. Taube J. P. Hunt J. Chem. Phys. 1950 18 760
96. T. Guarr E. Buhks G. McLendon J. Am. Chem. Soc. 1983 105 3763
97. E. Buhks M. Bixon J. Jortner J. Phys. Chem. 1981 85 3763
98. G. S. Huff I. S. Doncheva D. W. Brinkley A. M. Angeles-Boza A. Mukherjee C. J. Cramer J. P. Roth Biochemistry 2011 50 7375
99. T. F. Hughes R. A. Friesner J. Phys. Chem. B 2011 115 9280
100. R. Bianco P. J. Hay J. T. Hynes J. Phys. Chem. A 2011 115 8003
101. M. P. Lanci D. W. Brinkley K. L. Stone V. V. Smirnov J. P. Roth Angew. Chem., Int. Ed. 2005 44 7273
102. M. P. Lanci J. P. Roth J. Am. Chem. Soc. 2006 128 16006
103. T. R. Weaver T. J. Meyer S. A. Adeyemi G. M. Brown R. P. Eckberg W. E. Hatfield E. C. Johnson R. W. Murray D. Untereker J. Am. Chem. Soc. 1975 97 3039
104. D. Moonshiram J. W. Jurss J. J. Concepcion T. Zakharova I. Alperovich T. J. Meyer Y. Pushkar J. Am. Chem. Soc. 2012 134 4625
105. J. A. Stull T. A. Stich J. K. Hurst R. D. Britt Inorg. Chem. 2013 52 4578
106. J. L. Cape S. V. Lymar T. Lightbody J. K. Hurst Inorg. Chem. 2009 48 4400
107. X. Yang M. H. Baik J. Am. Chem. Soc. 2006 128 7476
108. E. R. Batista R. L. Martin J. Am. Chem. Soc. 2007 129 7224
109. P. E. M. Siegbahn R. H. Crabtree J. Am. Chem. Soc. 1999 121 117
110. G. Aullon E. Ruiz S. Alvarez Chem.-Eur. J. 2002 8 2508
111. P. E. M. Siegbahn M. Lundberg Photochem. Photobiol. Sci. 2005 1035
112. E. M. Sproviero J. A. Gascon J. P. McEnvoy G. W. Brudvig V. S. Batista Philos. Trans. R. Soc., B 2008 1494 1149
113. M. R. A. Blomberg P. E. M. Siegbahn Biochim. Biophys. Acta, Bioenerg. 2010 1797 129
114. I. Rivalta G. W. Brudvig V. S. Batista Curr. Opin. Chem. Biol. 2012 16 11
115. M. Haumann P. Liebisch C. Muller M. Barra M. Grabolle H. Dau Science 2005 310 1019