Water Oxidation by the [Co4O4(OAc)4(py)4]+ Cubium is Initiated by OH- Addition

Journal of the American Chemical Society

Volumn 137, Issue 49, 2015, Pages 15460-15468

  Smith, Paul F ^a   Hunt, Liam ^a   Laursen, Anders B ^a   Sagar, Viral ^a   Kaushik, Shivam ^a   Calvinho, Karin U D ^a   Marotta, Gabriele ^b   Mosconi, Edoardo ^b   De Angelis, Filippo ^b   Dismukes, G Charles ^a  

^a RUTGERS UNIVERSITY   (United States)

^b CNR   (Italy)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

ELECTRON SPIN RESONANCE SPECTROSCOPY; MASS SPECTROMETRY; MOLECULES; OXIDATION; SPECTROSCOPIC ANALYSIS; SPHERES;

DFT CALCULATION; INNERSPHERE MECHANISM; ISOTOPICALLY LABELED; OUTER-SPHERE OXIDATION; REACTIVE INTERMEDIATE; SPECTROSCOPIC METHOD; WATER MOLECULE; WATER OXIDATION;

REACTION INTERMEDIATES;

HYDROXIDE; OXYGEN; WATER;

ARTICLE; CATALYST; CHEMICAL BOND; DENSITY FUNCTIONAL THEORY; ELECTRON SPIN RESONANCE; MASS SPECTROMETRY; NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SPECTROSCOPY; OXIDATION; OXIDATION REDUCTION POTENTIAL; STEREOCHEMISTRY;

EID: 84950341871     PISSN: 00027863     EISSN: 15205126     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/jacs.5b09152     Document Type: Article

References (80)

1. Shafirovich, V. Y.; Strelets, V. V. Nouv. J. Chim. 1977, 2, 199-201
2. Jiao, F.; Frei, H. Angew. Chem., Int. Ed. 2009, 48, 1841-1844 10.1002/anie.200805534
3. Brunschwig, B. S.; Chou, M. H.; Creutz, C.; Ghosh, P.; Sutin, N. J. Am. Chem. Soc. 1983, 105, 4832-4833 10.1021/ja00352a050
4. Gardner, G. P.; Go, Y. B.; Robinson, D. M.; Smith, P. F.; Hadermann, J.; Abakumov, A.; Greenblatt, M.; Dismukes, G. C. Angew. Chem. 2012, 124, 1648-1651 10.1002/ange.201107625
5. Suzuki, O.; Takahashi, M.; Fukunaga, T.; Kuboyama, J. U.S. Patent 3399966, 1968.
6. El Wakkad, S. E. S.; Hickling, A. Trans. Faraday Soc. 1950, 46, 820-824 10.1039/tf9504600820
7. Kanan, M. W.; Nocera, D. G. Science 2008, 321, 1072-1075 10.1126/science.1162018
8. Hutchings, G. S.; Zhang, Y.; Li, J.; Yonemoto, B. T.; Zhou, X.; Zhu, K.; Jiao, F. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 4223-4229 10.1021/jacs.5b01006
9. Gerken, J. B.; McAlpin, J. G.; Chen, J. Y. C.; Rigsby, M. L.; Casey, W. H.; Britt, R. D.; Stahl, S. S.; Rigsby, L.; Casey, W. H.; Britt, R. D.; Stahl, S. S. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 14431-14442 10.1021/ja205647m
10. Nocera, D. G. Acc. Chem. Res. 2012, 45, 767-776 10.1021/ar2003013
11. Risch, M.; Ringleb, F.; Chernev, P.; Zaharieva, I.; Dau, H. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 661-674 10.1039/C4EE03004D
12. Risch, M.; Klingan, K.; Ringleb, F.; Chernev, P.; Zaharieva, I.; Fischer, A.; Dau, H. ChemSusChem 2012, 5, 542-549 10.1002/cssc.201100574
13. Du, P.; Kokhan, O.; Chapman, K. W.; Chupas, P. J.; Tiede, D. M. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 11096-11099 10.1021/ja303826a
14. Zhong, M.; Hisatomi, T.; Kuang, Y.; Zhao, J.; Liu, M.; Iwase, A.; Jia, Q.; Nishiyama, H.; Minegishi, T.; Nakabayashi, M.; Shibata, N.; Niishiro, R.; Katayama, C.; Shibano, H.; Katayama, M.; Kudo, A.; Yamada, T.; Domen, K. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 5053-5060 10.1021/jacs.5b00256
15. Koroidov, S.; Anderlund, M. F.; Styring, S.; Thapper, A.; Messinger, J. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 2492-2503 10.1039/C5EE00700C
16. Li, Y.; Zhang, L.; Torres-Pardo, A.; González-Calbet, J. M.; Ma, Y.; Oleynikov, P.; Terasaki, O.; Asahina, S.; Shima, M.; Cha, D.; Zhao, L.; Takanabe, K.; Kubota, J.; Domen, K. Nat. Commun. 2013, 4, 2566 10.1038/ncomms3566
17. Kanan, M. W.; Surendranath, Y.; Nocera, D. G. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 109-114 10.1039/B802885K
18. Zhong, D. K.; Cornuz, M.; Sivula, K.; Gratzel, M.; Gamelin, D. R. Energy Environ. Sci. 2011, 4, 1759-1764 10.1039/c1ee01034d
19. Han, X. B.; Zhang, Z. M.; Zhang, T.; Li, Y. G.; Lin, W.; You, W.; Su, Z. M.; Wang, E. B. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 5359-5366 10.1021/ja412886e
20. Wang, D.; Groves, J. T. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2013, 110, 15579-15584 10.1073/pnas.1315383110
21. Wasylenko, D. J.; Ganesamoorthy, C.; Borau-Garcia, J.; Berlinguette, C. P. Chem. Commun. 2011, 47, 4249-4251 10.1039/c0cc05522k
22. Dogutan, D. K.; McGuire, R.; Nocera, D. G. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 9178-9180 10.1021/ja202138m
23. Shevchenko, D.; Anderlund, M. F.; Thapper, A.; Styring, S. Energy Environ. Sci. 2011, 4, 1284-1287 10.1039/c0ee00585a
24. Rigsby, M. L.; Mandal, S.; Nam, W.; Spencer, L. C.; Llobet, A.; Stahl, S. S. Chem. Sci. 2012, 3, 3058 10.1039/c2sc20755a
25. Evangelisti, F.; Güttinger, R.; Moré, R.; Luber, S.; Patzke, G. R. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 18734-18737 10.1021/ja4098302
26. Yin, Q.; Tan, J. M. J. M.; Besson, C.; Geletii, Y. V.; Musaev, D. G.; Kuznetsov, A. E.; Luo, Z.; Hardcastle, K. I.; Hill, C. L. Science (Washington, DC, U. S.) 2010, 328, 342-345 10.1126/science.1185372
27. Pizzolato, E.; Natali, M.; Posocco, B.; Montellano Lopez, A.; Bazzan, I.; Di Valentin, M.; Galloni, P.; Conte, V.; Bonchio, M.; Scandola, F.; Sartorel, A.; Montellano López, A. Chem. Commun. 2013, 49, 9941-9943 10.1039/c3cc45457f
28. Leung, C.-F.; Ng, S.-M.; Ko, C.-C.; Man, W.-L.; Wu, J.; Chen, L.; Lau, T.-C. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 7903 10.1039/c2ee21840b
29. Lv, H.; Song, J.; Geletii, Y. V.; Vickers, J. W.; Sumliner, J. M.; Musaev, D. G.; Kögerler, P.; Zhuk, P. F.; Bacsa, J.; Zhu, G.; Hill, C. L. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 9268-9271 10.1021/ja5045488
30. Swiegers, G. F.; Clegg, J. K.; Stranger, R. Chem. Sci. 2011, 2, 2254-2262 10.1039/c1sc00298h
31. Sartorel, A.; Bonchio, M.; Campagna, S.; Scandola, F. Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 2262-2280 10.1039/C2CS35287G
32. 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, 1935-1943 10.1021/ar900249x
33. Blakemore, J. D.; Crabtree, R. H.; Brudvig, G. W. Chem. Rev. 2015, 150720112150009 10.1021/acs.chemrev.5b00122
34. Dimitrou, K.; Brown, A. D.; Concolino, T. E.; Rheingold, A. L.; Christou, G. Chem. Commun. 2001, 1284-1285 10.1039/b102008k
35. Dimitrou, K.; Folting, K.; Streib, W. E.; Christou, G. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 6432-6433 10.1021/ja00067a077
36. Dimitrou, K.; Sun, J.-S. S.; Folting, K.; Christou, G. Inorg. Chem. 1995, 34, 4160-4166 10.1021/ic00120a021
37. Dimitrou, K.; Folting, K.; Streib, W. E.; Christou, G. J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1994, 838, 1385-1386 10.1039/c39940001385
38. Chakrabarty, R.; Bora, S. J.; Das, B. K. Inorg. Chem. 2007, 46, 9450-9462 10.1021/ic7011759
39. Chakrabarty, R.; Sarmah, P.; Saha, B.; Chakravorty, S.; Das, B. K. Inorg. Chem. 2009, 48, 6371-6379 10.1021/ic802115n
40. Sarmah, P.; Chakrabarty, R.; Phukan, P.; Das, B. K. J. Mol. Catal. A: Chem. 2007, 268, 36-44 10.1016/j.molcata.2006.11.042
41. Das, B. K.; Chakrabarty, R. J. Chem. Sci. 2011, 123, 163-173 10.1007/s12039-011-0111-6
42. Symes, M. D.; Surendranath, Y.; Lutterman, D. a.; Nocera, D. G. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 5174-5177 10.1021/ja110908v
43. Symes, M. D.; Lutterman, D. A.; Teets, T. S.; Anderson, B. L.; Breen, J. J.; Nocera, D. G. ChemSusChem 2013, 6, 65-69 10.1002/cssc.201200682
44. McAlpin, J. G.; Stich, T. A.; Ohlin, C. A.; Surendranath, Y.; Nocera, D. G.; Casey, W. H.; Britt, R. D. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 15444-15452 10.1021/ja202320q
45. Stich, T.; Krzystek, J.; Mercardo, B. Q.; McAlpin, J. G.; Ohlin, C. A.; Olmstead, M. M.; Casey, W. H.; Britt, R. D. Polyhedron 2013, 64, 304-307 10.1016/j.poly.2013.05.038
46. McAlpin, J. G.; Surendranath, Y.; Dincə, M.; Stich, T. A.; Stoian, S. A.; Casey, W. H.; Nocera, D. G.; Britt, R. D. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 6882-6883 10.1021/ja1013344
47. Beattie, J. K.; Hambley, T. W.; Klepetko, J. a.; Masters, A. F.; Turner, P. Polyhedron 1998, 17, 1343-1354 10.1016/S0277-5387(97)00300-8
48. Sumner, C. E. Inorg. Chem. 1988, 27, 1320-1327 10.1021/ic00281a004
49. McCool, N. S.; Robinson, D. M.; Sheats, J. E.; Dismukes, G. C. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 11446-11449 10.1021/ja203877y
50. La Ganga, G.; Puntoriero, F.; Campagna, S.; Bazzan, I.; Berardi, S.; Bonchio, M.; Sartorel, A.; Natali, M.; Scandola, F. Faraday Discuss. 2012, 155, 177 10.1039/C1FD00093D
51. Berardi, S.; Natali, M.; Bazzan, I.; Puntoriero, F.; Sartorel, A.; Scandola, F.; Campagna, S.; Bonchio, M. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 11104-11107 10.1021/ja303951z
52. Zhang, B.; Li, F.; Yu, F.; Wang, X.; Zhou, X.; Li, H.; Jiang, Y.; Sun, L. ACS Catal. 2014, 4, 804-809 10.1021/cs401109u
53. Zhou, X.; Li, F.; Li, H.; Zhang, B.; Yu, F.; Sun, L. ChemSusChem 2014, 7, 2453-2456 10.1002/cssc.201402195
54. Smith, P. F.; Kaplan, C.; Sheats, J. E.; Robinson, D. M.; McCool, N. S.; Mezle, N.; Dismukes, G. C. Inorg. Chem. 2014, 53, 2113-2121 10.1021/ic402720p
55. La Ganga, G.; Nardo, V. M.; Cordaro, M.; Natali, M.; Vitale, S.; Licciardello, A.; Nastasi, F.; Campagna, S. Dalt. Trans 2014, 43, 14926-14930 10.1039/C4DT01785D
56. Li, X.; Siegbahn, P. E. M. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 13804-13813 10.1021/ja4053448
57. Wang, L. P.; Van Voorhis, T. J. Phys. Chem. Lett. 2011, 2, 2200-2204 10.1021/jz201021n
58. Fernando, A.; Aikens, C. M. J. Phys. Chem. C 2015, 119, 11072-11085 10.1021/jp511805x
59. Ullman, A. M.; Liu, Y.; Huynh, M.; Bediako, D. K.; Wang, H.; Anderson, B. L.; Powers, D. C.; Breen, J. J.; Abruña, H. D.; Nocera, D. G. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 17681-17688 10.1021/ja5110393
60. Sartorel, A.; Genoni, A.; LaGanga giuseppina; Volpe, A.; Puntoriero, F.; Di Valentin, M.; Bonchio, M.; Natali, M. Faraday Discuss. 2015, 10.1039/C5FD00076A
61. Nguyen, A. I.; Ziegler, M. S.; Oña-Burgos, P.; Sturzbecher-Hohne, M.; Kim, W.; Bellone, D. E.; Tilley, T. D. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 12865-12872 10.1021/jacs.5b08396
62. Wu, J. Z.; Sellitto, E.; Yap, G. P. A.; Sheats, J.; Dismukes, G. C. Inorg. Chem. 2004, 43, 5795-5797 10.1021/ic048988b
63. Mattioli, G.; Giannozzi, P.; Amore Bonapasta, A.; Guidoni, L. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 15353-15363 10.1021/ja401797v
64. Bloor, L. G.; Molina, P. I.; Symes, M. D.; Cronin, L. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 3304-3311 10.1021/ja5003197
65. Ruettinger, W.; Yagi, M.; Wolf, K.; Bernasek, S.; Dismukes, G. C. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 10353-10357 10.1021/ja0005587
66. Wu, J. Z.; De Angelis, F.; Carrell, T. G.; Yap, G. P. A.; Sheats, J.; Car, R.; Dismukes, G. C. Inorg. Chem. 2006, 45, 189-195 10.1021/ic051587r
67. Brimblecombe, R.; Swiegers, G. F.; Dismukes, G. C.; Spiccia, S. Angew. Chem., Int. Ed. 2008, 47, 7335-7338 10.1002/anie.200801132
68. Brimblecombe, R.; Kolling, D. R. J.; Bond, A. M.; Dismukes, G. C.; Spiccia, L.; Swiegers, G. F. Inorg. Chem. 2009, 48, 7269-7279 10.1021/ic9006982
69. Hara, M.; Waraksa, C. C.; Lean, J. T.; Lewis, B. A.; Mallouk, T. E. J. Phys. Chem. A 2000, 104, 5275-5280 10.1021/jp000321x
70. Liu, H.; Schilling, M.; Yulikov, M.; Luber, S.; Patzke, G. R. ACS Catal. 2015, 5, 4994-4999 10.1021/acscatal.5b01101
71. Davenport, T. C.; Ahn, H. S.; Ziegler, M. S.; Tilley, T. D. Chem. Commun. 2014, 50, 6326-6329 10.1039/c3cc46865h
72. Cady, C. W.; Gardner, G.; Maron, Z. O.; Retuerto, M.; Go, Y. B.; Segan, S.; Greenblatt, M.; Dismukes, G. C. ACS Catal. 2015, 5, 3403-3410 10.1021/acscatal.5b00265
73. Parent, A. R.; Crabtree, R. H.; Brudvig, G. W. Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 2247-2252 10.1039/C2CS35225G
74. Demars, T. J.; Bera, M. K.; Seifert, S.; Antonio, M. R.; Ellis, R. J. Angew. Chem., Int. Ed. 2015, 54, 7534-7538 10.1002/anie.201502336
75. Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Scalmani, G.; Barone, V.; Mennucci, B.; Petersson, G. A.; Nakatsuji, H.; Caricato, M.; Li, X.; Hratchian, H. P.; Izmaylov, A. F.; Bloino, J.; Zheng, G.; Sonnenberg, J. L.; Hada, M.; Ehara, M.; Toyota, K.; Fukuda, R.; Hasegawa, J.; Ishida, M.; Nakajima, T.; Honda, Y.; Kitao, O.; Nakai, H.; Vreven, T.; Montgomery, J. A., Jr.; Peralta, J. E.; Ogliaro, F.; Bearpark, M.; Heyd, J. J.; Brothers, E.; Kudin, K. N.; Staroverov, V. N.; Kobayashi, R.; Normand, J.; Raghavachari, K.; Rendell, A.; Burant, J. C.; Iyengar, S. S.; Tomasi, J.; Cossi, M.; Rega, N.; Millam, J. M.; Klene, M.; Knox, J. E.; Cross, J. B.; Bakken, V.; Adamo, C.; Jaramillo, J.; Gomperts, R.; Stratmann, R. E.; Yazyev, O.; Austin, A. J.; Cammi, R.; Pomelli, C.; Ochterski, J. W.; Martin, R. L.; Morokuma, K.; Zakrzewski, V. G.; Voth, G. A.; Salvador, P.; Dannenberg, J. J.; Dapprich, S.; Daniels, A. D.; Farkas, Ö; Foresman, J. B.; Ortiz, J. V.; Cioslowski, J.; Fox, D. J. Gaussian 09, revision A.1; Gaussian, Inc.: Wallingford, CT, 2009.
76. Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648-5652 10.1063/1.464913
77. McLean, A. D.; Chandler, G. S. J. Chem. Phys. 1980, 72, 5639-5648 10.1063/1.438980
78. Krishnan, R.; Binkley, J. S.; Seeger, R.; Pople, J. A. J. Chem. Phys. 1980, 72, 650-654 10.1063/1.438955
79. Cossi, M.; Rega, N.; Scalmani, G.; Barone, V. J. Comput. Chem. 2003, 24, 669-681 10.1002/jcc.10189
80. Cossi, M.; Barone, V. J. Chem. Phys. 2001, 115, 4708-4717 10.1063/1.1394921