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Leveraging Quantum Chemistry and Machine Learning for the Design of Low-Valent Transition Metal Catalysts in Nitrogen to Ammonia Conversion

化学 过渡金属 催化作用 量子化学 量子化学 氮气 无机化学 有机化学 反应机理 分子
作者
Chandrasekhar Nettem,Arpita Mondal,Gopalan Rajaraman
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (20): 16948-16963 被引量:8
标识
DOI:10.1021/jacs.5c00099
摘要

The conversion of N2 to NH3 under ambient conditions is a major goal in sustainable chemistry. Homogeneous catalysts, particularly those employing cyclic(alkyl)(amino)carbene (CAAC) ligands, have demonstrated promise in stabilizing low-valent Fe centers, yet industrial-level turnover numbers (TONs) and frequencies (TOFs) remain unmet. Here, we integrate quantum chemistry, molecular dynamics, and machine learning (ML) to uncover mechanistic features governing nitrogen reduction reaction (NRR) activity and guide catalyst design. Density functional theory (DFT) and ab initio molecular dynamics reveal that [Fe(CAAC)2] leverages redox noninnocent CAAC ligands to stabilize Fe(I) ([FeI(CAAC)2·-]), with strong antiferromagnetic coupling (JFe-CAAC = -1817 cm-1). Flexibility of bulky Dipp groups found to hinder N2 binding, rationalizing experimental observations. The exothermic formation of [(CAAC(H))2Fe] (ΔG = -4.5 kJ/mol) with in situ generated H2 exposure rationalizes the lower TON observed via catalyst deactivation. ML models trained on quantum descriptors such as M-C bond lengths, spin density, and frontier orbital energies identify the M-C distance as a key predictor of reactivity. A composite free energy metric (ΔGtot) encompassing cis-trans isomerization (ΔG10), N2 binding (ΔG20), and the first reduction step (ΔG30) enables ranking of candidate catalysts. Moreover, Ti and V complexes show the lowest ΔGtot (24-60 kJ/mol), while late transition and coinage metals exceed 120 kJ/mol, correlating with lower activity. By providing unprecedented insights into the interplay among ligand design, metal choice, and catalytic efficiency, this work lays a critical foundation for the rational design of homogeneous NRR catalysts, with implications for advancing sustainable ammonia production technologies.
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