Reducing CO2 to HCO2- at Mild Potentials: Lessons from Formate Dehydrogenase

异构化 氢化物 化学 格式化 催化作用 甲酸脱氢酶 电子转移 质子 金属 氧化还原 键裂 电化学 结晶学 无机化学 光化学 立体化学 物理化学 电极 有机化学 物理 量子力学
作者
Jenny Y. Yang,Tyler Kerr,Xinran S. Wang,Jeffrey M. Barlow
标识
DOI:10.26434/chemrxiv.12660722
摘要

The catalytic reduction of CO<sub>2</sub> to HCO<sub>2</sub><sup>-</sup> requires a formal transfer of a hydride (two electrons, one proton). Synthetic approaches for inorganic molecular catalysts have exclusively relied on classic metal hydrides, where the proton and electrons originate from the metal (via heterolytic cleavage of an M-H bond). An analysis of the scaling relationships that exist in classic metal hydrides reveal that hydride donors sufficiently hydridic to perform CO<sub>2</sub> reduction are only accessible at very reducing electrochemical potentials, which is consistent with known synthetic electrocatalysts. By comparison, the formate dehydrogenase enzymes operate at relatively mild potentials. In contrast to reported synthetic catalysts, none of the major mechanistic proposals for hydride transfer in formate dehydrogenase proceed through a classic metal hydride. Instead, they invoke formal hydride transfer from an orthogonal or bi-directional mechanism, where the proton and electron are not co-located. We discuss the thermodynamic advantages of this approach for favoring CO<sub>2</sub> reduction at mild potentials, along with guidelines for replicating this strategy in synthetic systems.
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