A Dinuclear Ruthenium-Based Water Oxidation Catalyst: Use of Non-Innocent Ligand Frameworks for Promoting Multi-Electron Reactions

Chemistry - A European Journal

Volumn 21, Issue 28, 2015, Pages 10039-10048

  Laine, Tanja M ^a   Kärkäs, Markus D ^a   Liao, Rong Zhen ^a,b   Siegbahn, Per E M ^a   Åkermark, Björn ^a  

^a STOCKHOLM UNIVERSITY   (Sweden)

^b HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY   (China)

Author keywords

density functional calculations; electrochemistry; ligands; ruthenium; water splitting

Indexed keywords

CATALYSTS; CATALYTIC OXIDATION; DENSITY FUNCTIONAL THEORY; ELECTROCHEMISTRY; LIGANDS; MASS SPECTROMETRY; OXIDATION; QUANTUM CHEMISTRY; SCAFFOLDS;

CATALYTIC EFFICIENCIES; EFFICIENT CATALYSTS; HIGH RESOLUTION MASS SPECTROMETRY; MOLECULAR FRAMEWORKS; NON-INNOCENT LIGANDS; QUANTUM CHEMICAL CALCULATIONS; WATER OXIDATION CATALYSTS; WATER SPLITTING;

RUTHENIUM;

EID: 84933520339     PISSN: 09476539     EISSN: 15213765     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/chem.201406613     Document Type: Article

References (97)

1. M. D. Kärkäs, E. V. Johnston, O. Verho, B. Åkermark, Acc. Chem. Res. 2014, 47, 100-111.
2. K. S. Joya, H. J. M. deGroot, ChemSusChem 2014, 7, 73-76.
3. P. S. Bassi, Gurudayal, L. H. Wong, J. Barber, Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16, 11834-11842.
4. S. Berardi, S. Drouet, L. Francàs, C. Gimbert-Suriñach, M. Guttentag, C. Richmond, T. Stoll, A. Llobet, Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 7501-7519.
5. M. D. Kärkäs, O. Verho, E. V. Johnston, B. Åkermark, Chem. Rev. 2014, 114, 11863-12001.
6. For recent examples of single-site ruthenium-based water oxidation catalysts, see
7. M. D. Kärkäs, T. Åkermark, E. V. Johnston, S. R. Karim, T. M. Laine, B.-L. Lee, T. Åkermark, T. Privalov, B. Åkermark, Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 11589-11593
8. Angew. Chem. 2012, 124, 11757-11761
9. J. J. Concepcion, R. A. Binstead, L. Alibabaei, T. J. Meyer, Inorg. Chem. 2013, 52, 10744-10746
10. M. D. Kärkäs, T. Åkermark, H. Chen, J. Sun, B. Åkermark, Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 4189-4193
11. Angew. Chem. 2013, 125, 4283-4287
12. D. M. Ryan, M. K. Coggins, J. J. Concepcion, D. L. Ashford, Z. Fang, L. Alibabaei, D. Ma, T. J. Meyer, M. L. Waters, Inorg. Chem. 2014, 53, 8120-8128
13. L. Wang, L. Duan, Y. Wang, M. S. G. Ahlquist, L. Sun, Chem. Commun. 2014, 50, 12947-12950
14. L. Kohler, N. Kaveevivitchai, R. Zong, R. P. Thummel, Inorg. Chem. 2014, 53, 912-921
15. T.-T. Li, Y. Chen, F.-M. Li, W.-L. Zhao, C.-J. Wang, X.-J. Lv, Q.-Q. Xu, W.-F. Fu, Chem. Eur. J. 2014, 20, 8054-8061
16. F. Li, L. Li, L. Tong, Q. Daniel, M. Göhelid, L. Sun, Chem. Commun. 2014, 50, 13948-13951
17. C. J. Richmond, R. Matheu, A. Poater, L. Falivene, J. Benet-Buchholz, X. Sala, L. Cavallo, A. Llobet, Chem. Eur. J. 2014, 20, 17282-17286.
18. For examples of dinuclear ruthenium-based water oxidation catalysts, see
19. F. Liu, J. J. Concepcion, J. W. Jurss, T. Cardolaccia, J. L. Templeton, T. J. Meyer, Inorg. Chem. 2008, 47, 1727-1752
20. Y. Xu, A. Fischer, L. Duan, L. Tong, E. Gabrielsson, B. Åkermark, L. Sun, Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 8934-8937
21. Angew. Chem. 2010, 122, 9118-9121
22. M. D. Kärkäs, E. V. Johnston, E. A. Karlsson, B.-L. Lee, T. Åkermark, M. Shariatgorji, L. Ilag, Ö. Hansson, J.-E. Bäckvall, B. Åkermark, Chem. Eur. J. 2011, 17, 7953-7959
23. T. Wada, H. Ohtsu, K. Tanaka, Chem. Eur. J. 2012, 18, 2374-2381
24. S. Neudeck, S. Maji, I. Lõpez, S. Meyer, F. Meyer, A. Llobet, J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 24-27
25. L. Zhang, Y. Gao, X. Ding, Z. Yu, L. Sun, ChemSusChem 2014, 7, 2801-2804.
26. For recent examples of iridium-based water oxidation catalysts, see
27. C. R. Turlington, D. P. Harrison, P. S. White, M. Brookhart, J. L. Templeton, Inorg. Chem. 2013, 52, 11351-11360
28. J. M. Thomsen, S. W. Sheehan, S. M. Hashmi, J. Campos, U. Hintermair, R. H. Crabtree, G. W. Brudvig, J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 13826-13834
29. J. A. Woods, R. Lalrempuia, A. Petronilho, N. D. McDaniel, H. Müller-Bunz, M. Albrecht, S. Bernhard, Energy Environ. Sci. 2014, 7, 2316-2328
30. A. Savini, A. Bucci, G. Bellachioma, L. Rocchigiani, C. Zuccaccia, A. Llobet, Al. Macchioni, Eur. J. Inorg. Chem. 2014, 690-697
31. A. Petronilho, J. A. Woods, H. Mueller-Bunz, S. Bernhard, M. Albrecht, Chem. Eur. J. 2014, 20, 15775-15784
32. O. Diaz-Morales, T. J. P. Hersbach, D. G. H. Hetterscheid, J. N. H. Reek, M. T. M. Koper, J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 10432-10439.
33. For recent examples of manganese-based water oxidation catalysts, see
34. E. A. Karlsson, B.-L. Lee, T. Åkermark, E. V. Johnston, M. D. Kärkäs, J. Sun, Ö. Hansson, J.-E. Bäckvall, B. Åkermark, Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 11715-11718
35. Angew. Chem. 2011, 123, 11919-11922
36. R. Al-Oweini, A. Sartorel, B. S. Bassil, M. Natali, S. Berardi, F. Scandola, U. Kortz, M. Bonchio, Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 11182-11185
37. Angew. Chem. 2014, 126, 11364-11367
38. W. A. A. Arafa, M. D. Kärkäs, B.-L. Lee, T. Åkermark, R.-Z. Liao, H.-M. Berends, J. Messinger, P. E. M. Siegbahn, B. Åkermark, Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16, 11950-11964
39. W.-T. Lee, S. B. Muñoz III, D. A. Dickie, J. M. Smith, Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 9856-9859
40. Angew. Chem. 2014, 126, 10014-10017
41. E. A. Karlsson, B.-L. Lee, R.-Z. Liao, T. Åkermark, M. D. Kärkäs, V. S. Becerril, P. E. M. Siegbahn, X. Zou, M. Abrahamsson, B. Åkermark, ChemPlusChem 2014, 79, 936-950.
42. For recent examples of iron-based water oxidation catalysts, see
43. C. Panda, J. Debgupta, D. DíazDíaz, K. K. Singh, S. SenGupta, B. B. Dhar, J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 12273-12282
44. A. R. Parent, T. Nakazono, S. Lin, S. Utsunomiya, K. Sakai, Dalton Trans. 2014, 43, 12501-12513
45. M. K. Coggins, M.-T. Zhang, A. K. Vannucci, C. J. Dares, T. J. Meyer, J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 5531-5534
46. F. Acuña-Parés, M. Costas, J. M. Luis, J. Lloret-Fillol, Inorg. Chem. 2014, 53, 5474-5485
47. B. M. Klepser, B. M. Bartlett, J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 1694-1697.
48. For recent examples of cobalt-based water oxidation catalysts, see
49. X. Zhou, F. Li, H. Li, B. Zhang, F. Yu, L. Sun, ChemSusChem 2014, 7, 2453-2456
50. M. Chen, S.-M. Ng, S.-M. Yiu, K.-C. Lau, R. J. Zeng, T.-C. Lau, Chem. Commun. 2014, 50, 14956-14959
51. H. Lv, J. Song, Y. V. Geletii, J. W. Vickers, J. M. Sumliner, D. G. Musaev, P. Kögerler, P. F. Zhuk, J. Bacsa, G. Zhu, C. L. Hill, J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 9268-9271
52. P. F. Smith, C. Kaplan, J. E. Sheats, D. M. Robinson, N. S. McCool, N. Mezle, G. C. Dismukes, Inorg. Chem. 2014, 53, 2113-2121
53. R. Xiang, Y. Ding, J. Zhao, Chem. Asian J. 2014, 9, 3228-3237
54. T. C. Davenport, H. S. Ahn, M. S. Ziegler, T. D. Tilley, Chem. Commun. 2014, 50, 6326-6329
55. A. Han, H. Jia, H. Ma, S. Ye, H. Wu, H. Lei, Y. Han, R. Cao, P. Du, Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16, 11224-11232.
56. For examples of copper-based water oxidation catalysts, see
57. S. M. Barnett, K. I. Goldberg, J. M. Mayer, Nat. Chem. 2012, 4, 498-502
58. M. K. Coggins, M.-T. Zhang, Z. Chen, N. Song, T. J. Meyer, Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 12226-12230
59. Angew. Chem. 2014, 126, 12422-12426
60. T. Zhang, C. Wang, S. Liu, J.-L. Wang, W. Lin, J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 273-281
61. W.-B. Yu, Q.-Y. He, X.-F. Ma, H.-T. Shi, X. Wei, Dalton Trans. 2015, 44, 351-358.
62. For experimental studies on water oxidation catalysts, see, for example
63. A. Sartorel, P. Mirõ, E. Salvadori, S. Romain, M. Carraro, G. Scorrano, M. DiValentin, A. Llobet, C. Bo, M. Bonchio, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 16051-16053
64. J. L. Boyer, D. E. Polyansky, D. J. Szalda, R. Zong, R. P. Thummel, E. Fujita, Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 12600-12604
65. Angew. Chem. 2011, 123, 12808-12812
66. D. J. Wasylenko, C. Ganesamoorthy, M. A. Henderson, C. P. Berlinguette, Inorg. Chem. 2011, 50, 3662-3672
67. Z. Codolà, I. Garcia-Bosch, F. Acuña-Parés, I. Prat, J. M. Luis, M. Costas, J. Lloret-Fillol, Chem. Eur. J. 2013, 19, 8042-8047
68. Y. Pushkar, D. Moonshiram, V. Purohit, L. Yan, I. Alperovich, J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 11938-11945.
69. For theoretical studies on water oxidation catalysts, see, for example
70. J. Nyhlén, L. Duan, B. Åkermark, L. Sun, T. Privalov, Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 1773-1777
71. Angew. Chem. 2010, 122, 1817-1821
72. X. Li, P. E. M. Siegbahn, J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 13804-13813
73. M. G. Mavros, T. Tsuchimochi, T. Kowalczyk, A. McIsaac, L.-P. Wang, T. VanVoorhis, Inorg. Chem. 2014, 53, 6386-6397
74. A. M. Angeles-Boza, M. Z. Ertem, R. Sarma, C. H. Ibañez, S. Maji, A. Llobet, C. J. Cramer, J. P. Roth, Chem. Sci. 2014, 5, 1141-1152
75. R.-Z. Liao, P. E. M. Siegbahn, ACS Catal. 2014, 4, 3937-3949
76. Y. Wang, M. S. G. Ahlquist, Dalton Trans. 2014, 43, 13776-13782
77. S. G. Winikoff, C. J. Cramer, Catal. Sci. Technol. 2014, 4, 2484-2489
78. R. Kang, K. Chen, J. Yao, S. Shaik, H. Chen, Inorg. Chem. 2014, 53, 7130-7136
79. R.-Z. Liao, X.-C. Li, P. E. M. Siegbahn, Eur. J. Inorg. Chem. 2014, 728-741
80. F. Acuña-Parés, Z. Codolà, M. Costas, J. M. Luis, J. Lloret-Fillol, Chem. Eur. J. 2014, 20, 5696-5707.
81. X. Sala, S. Maji, R. Bofill, J. García-Antõn, L. Escriche, A. Llobet, Acc. Chem. Res. 2014, 47, 504-516.
82. R.-Z. Liao, M. D. Kärkäs, B.-L. Lee, B. Åkermark, P. E. M. Siegbahn, Inorg. Chem. 2015, 54, 342-351.
83. A. Migliore, N. F. Polizzi, M. J. Therien, D. N. Beratan, Chem. Rev. 2014, 114, 3381-3465.
84. B. A. Barry, Nat. Chem. 2014, 6, 376-377.
85. T. M. Laine, M. D. Kärkäs, R.-Z. Liao, T. Åkermark, B.-L. Lee, E. A. Karlsson, P. E. M. Siegbahn, B. Åkermark, Chem. Commun. 2015, 51, 1862-1865.
86. L. Tong, A. K. Inge, L. Duan, L. Wang, X. Zou, L. Sun, Inorg. Chem. 2013, 52, 2505-2518.
87. J. T. Muckerman, M. Kowalczyk, Y. M. Badiei, D. E. Polyansky, J. J. Concepcion, R. Zong, R. P. Thummel, E. Fujita, Inorg. Chem. 2014, 53, 6904-6913.
88. For DFT geometry optimizations and frequency calculations, the B3LYP/6-31G(d,p) (SDD for Ru) level of theory, as well as B3LYP∗-D2 single-point energies with the larger basis set 6-311+G(2df,2p) (SDD for Ru) using the SMD continuum solvation model were used. Full details are given in the Experimental Section.
89. R. E. DeSimone, R. S. Drago, J. Am. Chem. Soc. 1970, 92, 2343-2352.
90. Gaussian09, RevisionB.01, 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, 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, Ö. Farkas, J. B. Foresman, J. V. Ortiz, J. Cioslowski, D. J. Fox, Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2009.
91. A. D. Becke, J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648-5652.
92. D. Andrae, U. Häuermann, M. Dolg, H. Stoll, H. Preuβ, Theor. Chim. Acta. 1990, 77, 123-141.
93. A. V. Marenich, C. J. Cramer, D. G. Truhlar, J. Phys. Chem. B 2009, 113, 6378-6396.
94. M. Reiher, O. Salomon, B. A. Hess, Theor. Chem. Acc. 2001, 107, 48-55.
95. D. M. Camaioni, C. A. Schwerdtfeger, J. Phys. Chem. A 2005, 109, 10795-10797.
96. S. Grimme, J. Comput. Chem. 2006, 27, 1787-1799.
97. A. A. Isse, A. Gennaro, J. Phys. Chem. B 2010, 114, 7894-7899.