Basicity of MnIII-Hydroxo Complexes Controls the Thermodynamics of Proton-Coupled Electron Transfer Reactions

化学 质子 电子转移 电子 质子耦合电子转移 无机化学 物理化学 物理 量子力学
作者
Priya Singh,Markell J. A. Lomax,Adedamola A. Opalade,Ba Cuong Nguyen,Martin Srnec,Timothy A. Jackson
出处
期刊:Inorganic Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:63 (46): 21941-21953
标识
DOI:10.1021/acs.inorgchem.4c03254
摘要

Several manganese-dependent enzymes utilize MnIII-hydroxo units in concerted proton–electron transfer (CPET) reactions. We recently demonstrated that hydrogen bonding to the hydroxo ligand in the synthetic [MnIII(OH)(PaPy2N)]+ complex increased rates of CPET reactions compared to the [MnIII(OH)(PaPy2Q)]+ complex that lacks a hydrogen bond. In this work, we determine the effect of hydrogen bonding on the basicity of the hydroxo ligand and evaluate the corresponding effect on CPET reactions. Both [MnIII(OH)(PaPy2Q)]+ and [MnIII(OH)(PaPy2N)]+ react with strong acids to yield MnIII-aqua complexes [MnIII(OH2)(PaPy2Q)]2+ and [MnIII(OH2)(PaPy2N)]2+, for which we determined pKa values of 7.6 and 13.1, respectively. Reactions of the MnIII-aqua complexes with one-electron reductants yielded estimates of reduction potentials, which were combined with pKa values to give O–H bond dissociation free energies (BDFEs) of 77 and 85 kcal mol–1 for the MnII-aqua complexes [MnII(OH2)(PaPy2Q)]+ and [MnII(OH2)(PaPy2N)]+. Using these BDFEs, we performed an analysis of the thermodynamic driving force for phenol oxidation by these complexes and observed the unexpected result that slower rates are associated with more asynchronous CPET. In addition, reactions of acidic phenols with the MnIII-hydroxo complexes show rates that deviate from the thermodynamic trends, consistent with a change in mechanism from CPET to proton transfer.
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