Peroxo and Superoxo Moieties Bound to Copper Ion: Electron-Transfer Equilibrium with a Small Reorganization Energy

化学 试剂 电子转移 氧化还原 二甲基甲酰胺 二茂铁 配体(生物化学) 离子 电子顺磁共振 结晶学 溶剂 物理化学 立体化学 无机化学 电化学 有机化学 物理 受体 生物化学 核磁共振 电极
作者
Rui Cao,Claudio Saracini,Jake W. Ginsbach,Matthew T. Kieber‐Emmons,Maxime A. Siegler,Edward I. Solomon,Shunichi Fukuzumi,Kenneth D. Karlin
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:138 (22): 7055-7066 被引量:61
标识
DOI:10.1021/jacs.6b02404
摘要

Oxygenation of [Cu2(UN-O–)(DMF)]2+ (1), a structurally characterized dicopper Robin–Day class I mixed-valent Cu(II)Cu(I) complex, with UN-O– as a binucleating ligand and where dimethylformamide (DMF) binds to the Cu(II) ion, leads to a superoxo-dicopper(II) species [CuII2(UN-O–)(O2•–)]2+ (2). The formation kinetics provide that kon = 9 × 10–2 M–1 s–1 (−80 °C), ΔH‡ = 31.1 kJ mol–1 and ΔS‡ = −99.4 J K–1 mol–1 (from −60 to −90 °C data). Complex 2 can be reversibly reduced to the peroxide species [CuII2(UN-O–)(O22–)]+ (3), using varying outer-sphere ferrocene or ferrocenium redox reagents. A Nernstian analysis could be performed by utilizing a monodiphenylamine substituted ferrocenium salt to oxidize 3, leading to an equilibrium mixture with Ket = 5.3 (−80 °C); a standard reduction potential for the superoxo–peroxo pair is calculated to be E° = +130 mV vs SCE. A literature survey shows that this value falls into the range of biologically relevant redox reagents, e.g., cytochrome c and an organic solvent solubilized ascorbate anion. Using mixed-isotope resonance Raman (rRaman) spectroscopic characterization, accompanied by DFT calculations, it is shown that the superoxo complex consists of a mixture of μ-1,2- (21,2) and μ-1,1- (21,1) isomers, which are in rapid equilibrium. The electron transfer process involves only the μ-1,2-superoxo complex [CuII2(UN-O–)(μ-1,2-O2•–)]2+ (21,2) and μ-1,2-peroxo structures [CuII2(UN-O–)(O22–)]+ (3) having a small bond reorganization energy of 0.4 eV (λin). A stopped-flow kinetic study results reveal an outer-sphere electron transfer process with a total reorganization energy (λ) of 1.1 eV between 21,2 and 3 calculated in the context of Marcus theory.
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