Activation of small molecules by copper and cobalt complexes via proton-coupled multi-electron transfer reactions and the application in catalysis

• Applicant: Professorin Dr. Inke Siewert
• Subject Area: Inorganic Molecular Chemistry - Synthesis and Characterisation
• Term: from 2013 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 243146177

• Final Report Year: 2022

Final Report Abstract

Elektronentransferreaktionen spielen eine wichtige Rolle bei chemischen Energiekonversionsreaktionen. In der Natur erfolgt die Aktivierung der beteiligten Moleküle wie H2O, O2 oder Protonen üblicherweise in den aktiven Zentren von Enzymen, welche oftmals ein oder mehrere 3d-Metallionen enthalten. Betrachtet man die Aktivierungsreaktionen genauer, so wird deutlich, dass neben Elektronen oftmals auch Protonen übertragen werden. Bei der lichtgetriebenen Wasserspaltung in Pflanzen, Algen und Cyanobakterien werden beispielsweise drei der vier Elektronentransferschritte (ET) mit einem Protonentransfer (PT) gekoppelt, was zu einer hohen Energieeffizienz der Reaktion führt. Ziel des Projekts war es - nach dem Vorbild der Natur - mit Hilfe von Cobalt- und Kupferkomplexen protonengekoppelte Mehrelektronentransferreaktionen zur Aktivierung kleiner Moleküle, insbesondere die oxidative Spaltung von Wasser und die reduktive Zersetzung von Lachgas (N2O), zu studieren. Ausgangshypothese des Projekts war, dass Komplexe mit Liganden, die Imdazol- und Pyrazoleinheiten enthalten, eine starke thermodynamische Kopplung von metallbasiertem ET und ligandbasiertem PT aufweisen, zwei oder mehr Locher/Elektronen und Protonen akkumulieren können und somit Mehrelektronentransferreaktionen ermöglichen. Daher wurden zunächst wohldefinierte neuartige Liganden mit NH-Pyrazolyl- oder NHImidazolyleinheiten und die entsprechenden ein- und mehrkernigen Kupfer- und Kobaltkomplexe synthetisiert. Hierbei zeigte sich, dass das Substitutionsmuster (Pyrazol vs. Imidazol) nur einen sehr geringen Einfluss auf die Struktur der entsprechenden Cobalt- und Kupferkomplexe hat. Die Bindungsdissoziationsenergie (BDFE) für die hypothetische PCET-Reaktion wurde anschließend für ausgewählte Vertreter quantifiziert. Die Annahme, dass es in Komplexen mit Pyrazolliganden aufgrund des geringen Abstandes zwischen dem aziden Proton und dem Metallzentrum zu einer stärkeren Absenkung des pKs-Wertes kommt im Vergleich zu Komplexen mit Imidazolliganden bestätigte sich auch für die untersuchten Kupfer- und Cobaltkomplexe. Anschließend wurden die Komplexe als Katalysatoren bei der elektrochemischen Wasserspaltung eingesetzt. Entsprechende Untersuchungen zur Wasseroxidation zeigten, dass ausgewählte Kupfer- und Kobaltkomplexe unter den Bedingungen der Katalyse stabil waren (einige wiederum nicht) und als Katalysatoren in der elektrochemisch getriebenen Wasseroxidation dienen konnten, die anschließend auch mechanistisch umfangreich untersucht wurden. Wir zeigten beispielsweise, dass die Kopplung von ET und PT zu der postulierten Absenkung des Überpotentials um ca. 150 mV führte bei einem Kobaltkomplex. Neben der oxidativen Wasserspaltung haben wir auch die Protonenreduktion mit den entsprechenden Kupfer- und Kobaltkomplexen untersucht. Dabei zeigte sich beispielsweise bei einem der Kupferkomplexe, dass auch Meerwasser als Elektrolyt bei der elektrochemischen Wasserstoffentwicklung geeignet ist. Meerwasser ist eine sehr interessante Protonenquelle zur H2-Herstellung, da es in großen Mengen vorhanden ist und eine aufwendige Aufreinigung vor Verwendung nicht mehr nötig wäre. Ein anderer untersuchter Kobaltkomplex katalysierte wiederum die Wasserstoffentwicklung mit Essigsaure als Protonenquelle bei sehr niedrigem Überpotential von nur 130 mV mit einer maximale Umsatzzahl von ca. 400 s-1.

Publications

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• Electrochemical Water Oxidation Using a Copper Complex; Dalton Trans. 2018, 47, 10737-10741
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  B. M. Lindley, R. S. van Alten, M. Finger, F. Schendzielorz, C. Würtele, A. J. M. Miller, I. Siewert, S. Schneide
  
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  M. Wilken, C. Würtele, M. Kügler, F. Chrobak, I. Siewert
  
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  I. Fokin, A. Denisiuk, C. Würtele, I. Siewert
  
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• Electrocatalytic Hydrogen Production with a Molecular Cobalt Complex in Aqueous Solution; ChemElectroChem 2020, 7, 217-222
  M. Wilken, I. Siewert
  
• A Bioinspired Disulfide/Dithiol Redox Switch in a Rhenium Complex as Proton, H-Atom, and Hydride Transfer Reagent; J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 6238-6247
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• Electrochemical CO2 Reduction Catalyzed by Binuclear LRe2(CO)6Cl2 and LMn2(CO)6Br2 Complexes with an Internal Proton Source; Acc. Chem. Res. 2022
  I. Siewert