Mechanism of water oxidation catalyzed by vitamin B12: Redox non-innocent nature of corrin ligand and crucial role of phosphate

化学 亲核细胞 催化循环 分子 科林 质子耦合电子转移 电子转移 氧化还原 反应机理 催化作用 光化学 药物化学 配体(生物化学) 无机化学 有机化学 受体 生物化学
作者
Yingying Li,Rong‐Zhen Liao
出处
期刊:Chinese Chemical Letters [Elsevier BV]
卷期号:33 (1): 358-361 被引量:10
标识
DOI:10.1016/j.cclet.2021.06.028
摘要

Abstract Vitamin B12 (macrocyclic cobalamin) has been recently reported to be capable of electrochemically catalyzing water oxidation in a neutral phosphate buffer solution. In this work, density functional calculations were employed to elucidate the water oxidation mechanism catalyzed by vitamin B12. The calculations showed that the catalytic cycle starts from the L•-CoII-OH2 complex 1. A proton-coupled electron transfer process then leads to the formation of a L•-CoIII-OH complex 2, followed by another proton-coupled electron transfer event to afford a corrin ligand radical cation intermediate 3 (L•-CoIII-O•). The redox non-innocent nature of the corrin ligand plays an essential role in the oxidation process. 3 is capable of triggering the O-O bond formation via a water nucleophilic attack mechanism, in which a hydrophosphate dianion functions as a base to accept a proton from the water nucleophile. A dioxygen molecule is released after the oxidation of the CoIII-OOH intermediate. The rate-determining step was calculated to be the O-O bond formation with a total barrier of 16.5 kcal/mol. While the use of water molecules as the proton acceptor was found to be less feasible for the O-O bond formation, with a barrier of 31.2 kcal/mol, further highlighting the crucial of phosphate in water oxidation.
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