Selective Electrocatalytic CO2 Reduction to CO by an NHC-Based Organometallic Heme Analogue

化学 乙腈 催化作用 配体(生物化学) 卡宾 电化学 法拉第效率 药物化学 铁质 组合化学 立体化学 有机化学 物理化学 受体 电极 生物化学
作者
Allyssa A. Massie,Claudia Schremmer,Isabelle Rüter,Sebastian Dechert,Inke Siewert,Franc Meyer
标识
DOI:10.26434/chemrxiv.13107959.v1
摘要

Molecular first-row transition metal complexes for electrocatalytic CO 2 reduction mostly feature N-donor supporting ligands, iron porphyrins being among the most prominent catalysts. Introducing N-heterocyclic carbene (NHC) ligation has previously shown promising effects for some systems, yet the application of NHC iron complexes for electrochemical CO 2 reduction has so far remained unreported. Herein we show that the macrocyclic tetracarbene iron complex [LFe(NCMe) 2 ](OTf) 2 ( 1 ), which can be described as an organometallic heme analogue, mediates selective electrocatalytic CO 2 -to-CO conversion with a faradaic efficiency of over 90% and a very high initial observed catalytic rate constant ( k obs ) of 7,800 s −1 . Replacement of an axial MeCN ligand by CO significantly increases the catalyst stability and turnover number, while the rate of catalysis decreases only slightly ( k obs = 3,100 s −1 ). Ferrous complexes with one or two axial CO ligands, [LFe(NCMe)(CO)](OTf) 2 ( 1-CO ) and [LFe(CO) 2 ](OTf) 2 ( 1-(CO) 2 ), have been isolated and fully characterized. Based on linear sweep voltammogram (LSV) spectroelectro-IR (SEC-IR) studies for 1 and 1-CO , both under N 2 and CO 2 atmosphere, a mechanistic scenario in anhydrous acetonitrile is proposed. It involves two molecules of CO 2 and results in CO and CO 3 2− formation, whereby the first CO 2 binds to the doubly reduced, pentacoordinated [LFe 0 (CO)] species. This work commences the exploration of the reductive chemistry by the widely tunable macrocyclic tetracarbene iron motif, which is topologically similar to hemes but electronically distinct as the strongly s-donating and redox inactive NHC scaffold leads to metal-centered reduction and population of the exposed d z² orbital, in contrast to ligand-based orbitals in the analogous porphyrin systems.
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