Role of High-Spin Species and Pendant Amines in Electrocatalytic Alcohol Oxidation by a Nickel Phosphine Complex

磷化氢 苯甲醇 催化作用 脱质子化 化学 催化循环 氢化物 酒精氧化 离解(化学) 速率决定步骤 苯甲醛 氧化态 光化学 无机化学 有机化学 金属 离子
作者
Thilina Gunasekara,Yicheng Tong,Amy L. Speelman,Jeremy D. Erickson,Aaron M. Appel,Michael B. Hall,Eric S. Wiedner
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:12 (5): 2729-2740 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acscatal.1c05509
摘要

The development of active and efficient electrocatalysts for oxidation of alcohols using earth-abundant metals will aid progress toward a renewable energy economy. Here, we present a detailed mechanistic study of electrocatalytic benzyl alcohol oxidation by a molecular nickel complex containing pendant amines using a combination of kinetic studies, nuclear magnetic resonance spectroscopy, and density functional theory. The catalyst preferentially binds alcohol in a high-spin octahedral geometry, but this complex is not readily deprotonated by an exogenous base and inhibits catalysis. Dissociation of one or more solvent ligands returns the complex to a low-spin state that can be deprotonated. Kinetic modeling indicates that the off-cycle high-spin intermediate lowers the catalytic turnover frequency by a factor of 8, suggesting that substantial gains in activity can be attained by improvements to the catalyst coordination geometry. In a second finding, we demonstrate that the pendant amine of the catalyst only functions as a proton relay for the potential-determining step, oxidation of a nickel hydride intermediate, but does not have a substantial impact on the overall rate for oxidation of benzyl alcohol to benzaldehyde. This result contradicts the common expectation for pendant amines to participate in rate-limiting proton transfer reactions.
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