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Managing the Redox Potential of PCET in Grotthuss-Type Proton Wires

化学 氧化还原 质子 光化学 质子耦合电子转移 电子转移 电子传输链 氢键 质子输运 分子 无机化学 有机化学 生物化学 量子力学 物理
作者
Emmanuel Odella,Maxim Secor,Edgar A. Reyes Cruz,Walter D. Guerra,María Noel Urrutia,Paul A. Liddell,Thomas A. Moore,Gary F. Moore,Sharon Hammes‐Schiffer,Ana L. Moore
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (34): 15672-15679 被引量:9
标识
DOI:10.1021/jacs.2c05820
摘要

Expanding proton-coupled electron transfer to multiproton translocations (MPCET) provides a bioinspired mechanism to transport protons away from the redox site. This expansion has been accomplished by separating the initial phenolic proton donor from the pyridine-based terminal proton acceptor by a Grotthuss-type proton wire made up of concatenated benzimidazoles that form a hydrogen-bonded network. However, it was found that the midpoint potential of the phenol oxidation that launched the Grotthuss-type proton translocations is a function of the number of benzimidazoles in the hydrogen-bonded network; it becomes less positive (i.e., a weaker oxidant) as the number of bridging benzimidazoles increases. Herein, we report a strategy to maintain the high redox potential necessary for oxidative processes relevant to artificial photosynthesis, e.g., water oxidation and long-range MPCET processes for managing protons. The integrated structural and functional roles of the benzimidazole-based bridge provide sites for substitution of the benzimidazoles with electron-withdrawing groups (e.g., trifluoromethyl groups). Such substitution increases the midpoint potential of the phenoxyl radical/phenol couple so that proton translocations over ∼11 Å become thermodynamically comparable to that of an unsubstituted system where one proton is transferred over ∼2.5 Å. The extended, substituted system maintains the hydrogen-bonded network; infrared spectroelectrochemistry confirms reversible proton translocations from the phenol to the pyridyl terminal proton acceptor upon oxidation and reduction. Theory supports the change in driving force with added electron-withdrawing groups and provides insight into the role of electron density and electrostatic potential in MPCET processes associated with these Grotthuss-type proton translocations.
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