TY - THES A1 - Schindler, Dorothee T1 - Water Oxidation with Multinuclear Ruthenium Catalysts T1 - Wasseroxidation mit mehrkernigen Ruthenium-Katalysatoren N2 - In terms of the need of environmentally benign renewable and storable energy sources, splitting of water into hydrogen and oxygen by using sunlight is a promising approach. Hereby, water oxidation catalysts (WOCs) are required to perform the water oxidation comprising the transfer of four electrons to provide the reducing equivalents for producing hydrogen. The class of Ru(bda) (bda = 2,2'-bipyridine-6,6'-dicarboxylate) catalysts has proven to be efficient for this reaction. In this thesis, ligand exchange processes in Ru(bda) complexes have been analyzed and the formation of multinuclear macrocyclic WOCs was studied. Based on the knowledge acquired by these studies, new multinuclear cyclic Ru(bda) complexes have been synthesized and their catalytic efficiencies in homogeneous water oxidation have been investigated. Going one step further for setting up functional devices, molecular WOCs have been immobilized on conducting or semiconducting supporting materials. Direct anchoring on carbon nanotubes generated a promising materials for further applications. N2 - Der Klimawandel als die gesellschaftliche Herausforderung des 21. Jahrhunderts ist der Allgemeinheit in den letzten Jahren insbesondere durch Aktivitäten der jüngeren Generation mehr und mehr ins Bewusstsein gerückt. Mit ihrem Engagement in Klimabewegungen machen sie auf die Dringlichkeit aufmerksam, fossile Brennstoffe als Hauptverursacher schädlicher Emissionen zu ersetzen. Angesichts des Bedarfs an umweltfreundlichen erneuerbaren und zugleich speicherbaren Energie¬quellen ist die Erzeugung von Wasserstoff unter Verwendung von Sonnenlicht zur Spaltung von Wasser in seine Bestandteile ein vielversprechender Ansatz (Kapitel 2.1). Die Wasser¬oxidationsreaktion, die die erforderlichen Reduktionsäquivalenten für die Umwandlung von Protonen in molekularen Wasserstoff liefert, umfasst jedoch einen herausfordernden Vier-Elektronen-Transferprozess, der robuste und effiziente Katalysatoren unverzichtbar macht (Kapitel 2.2). In den letzten Jahrzehnten durchgeführte ausführliche Untersuchungen an molekularen Wasser¬oxidations¬katalysatoren (WOCs, engl: water oxidation catalysts) haben gezeigt, dass Katalysatoren, die das katalytisch aktive Ru(bda) Fragment (bda: 2,2'-bipyridin-6,6'-dicarbonsäure) enthalten, eine hohe Effizienz in der Wasseroxidation aufweisen.[41] Basierend auf diesen Erkenntnissen entwickelten Würthner und Mitarbeiter einen supra-molekularen Ansatz, bei dem drei Ru(bda) Einheiten makrozyklisch organisiert werden.[42] Diese makrozyklischen Ru(bda) Komplexe zeigten außerordentlich hohe katalytische Aktivitäten mit bedeutend höherer Umsatzfrequenz (TOF, engl: turnover frequency) und Umsatzzahl (TON, engl: turnover number) sowie einer verbesserten Stabilität des Katalysators im Vergleich zur einkernigen Referenzverbindung Ru(bda)(pic)2.[40] Interessanter¬weise wurde heraus¬gefunden, dass vermutlich ein wasserstoffverbrücktes Wasser¬netzwerk in der Kavität des Makrozyklus für schnelle Protonen-gekoppelte Elektronen-Transfer-Schritte (PCET, engl: protonen-coupled electron transfer) und somit beschleunigte Reaktionsgeschwindigkeiten verantwortlich ist. Darüber hinaus belegten mechanistische Untersuchungen einen Wechsel des katalytischen Weges von einem bimolekularen I2M (Interaktion von zwei M-O Einheiten, engl: interaction of two M-O units) Mechanismus im einkernigen Ru(bda)pic2 Referenzkomplex zu einem mononuklearen WNA (nukleophiler Wasserangriff, engl: water nucleophiilic attack) Mechanismus im dreikernigen makro-zyklischen WOC MC3 (Kapitel 2.3), was letzteren besonders interessant für anwendungs-bezogene Untersuchungen macht. ... KW - Rutheniumkomplexe KW - catalysis KW - Wasser KW - Katalyse KW - Oxidation KW - metallosupramolecular chemistry KW - ruthenium complexes KW - water oxidation KW - Ruthenium Komplexe KW - Metallosupramolekulare Chemie KW - Wasseroxidation Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-233093 ER - TY - JOUR A1 - Würthner, Frank A1 - Meza-Chincha, Ana-Lucia A1 - Schindler, Dorothee A1 - Natali, Mirco T1 - Effects of Photosensitizers and Reaction Media on Light‐Driven Water Oxidation with Trinuclear Ruthenium Macrocycles JF - ChemPhotoChem N2 - Photocatalytic water oxidation is a promising process for the production of solar fuels and the elucidation of factors that influence this process is of high significance. Thus, we have studied in detail light‐driven water oxidation with a trinuclear Ru(bda) (bda: 2,2’‐bipyridine‐6,6’‐dicarboxylate) macrocycle MC3 and its highly water soluble derivative m‐CH\(_2\)NMe\(_2\)‐MC3 using a series of ruthenium tris(bipyridine) complexes as photosensitizers under varied reaction conditions. Our investigations showed that the catalytic activities of these Ru macrocycles are significantly affected by the choice of photosensitizer (PS) and reaction media, in addition to buffer concentration, light intensity and concentration of the sensitizer. Our steady‐state and transient spectroscopic studies revealed that the photocatalytic performance of trinuclear Ru(bda) macrocycles is not limited by their intrinsic catalytic activities but rather by the efficiency of photogeneration of oxidant PS\(^+\) and its ability to act as an oxidizing agent to the catalysts as both are strongly dependent on the choice of photosensitizer and the amount of employed organic co‐solvent. KW - photosenitizers KW - water oxidation KW - ruthenium complexes KW - macrocycles KW - trinuclear KW - homogenous catalysis KW - photocatalysis Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-230116 VL - 5 IS - 2 ER - TY - JOUR A1 - Würthner, Frank A1 - Noll, Niklas T1 - A Calix[4]arene‐Based Cyclic Dinuclear Ruthenium Complex for Light‐Driven Catalytic Water Oxidation JF - Chemistry - A European Journal N2 - A cyclic dinuclear ruthenium(bda) (bda: 2,2’‐bipyridine‐6,6’‐dicarboxylate) complex equipped with oligo(ethylene glycol)‐functionalized axial calix[4]arene ligands has been synthesized for homogenous catalytic water oxidation. This novel Ru(bda) macrocycle showed significantly increased catalytic activity in chemical and photocatalytic water oxidation compared to the archetype mononuclear reference [Ru(bda)(pic)\(_2\)]. Kinetic investigations, including kinetic isotope effect studies, disclosed a unimolecular water nucleophilic attack mechanism of this novel dinuclear water oxidation catalyst (WOC) under the involvement of the second coordination sphere. Photocatalytic water oxidation with this cyclic dinuclear Ru complex using [Ru(bpy)\(_3\)]Cl\(_2\) as a standard photosensitizer revealed a turnover frequency of 15.5 s\(^{−1}\) and a turnover number of 460. This so far highest photocatalytic performance reported for a Ru(bda) complex underlines the potential of this water‐soluble WOC for artificial photosynthesis. KW - water KW - oxidation KW - ruthenium KW - dinuclear KW - catalytic KW - artificial photosynthesis KW - homogenous catalysis KW - photocatalysis KW - ruthenium complexes KW - water oxidation Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-230030 UR - https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/chem.202004486 VL - 27 IS - 1 ER - TY - THES A1 - Kunz, Valentin T1 - Supramolecular Approaches for Water Oxidation Catalysis with Ruthenium Complexes T1 - Supramolekulare Ansätze für die Wasseroxidationskatalyse mit Rutheniumkomplexen N2 - The catalytic splitting of water into its elements is an important reaction to establish hydrogen as a solar fuel. The bottle-neck of this process is considered to be the oxidative half reaction generating oxygen, and good catalysts are required to handle the complicated redox chemistry involved. As can be learned from nature, the incorporation of the catalytically active species into an appropriate matrix can help to improve the overall performance. Thus, the aim of the present thesis was to establish novel supramolecular approaches to improve water oxidation catalysis using the catalytically active {Ru(bda)} fragment as key motive (bda = 2,2'-bipyridine-6,6'-dicarboxylate). First, the synthesis of ruthenium catalysts gathering three {Ru(bda)} water oxidation subunits in a macrocyclic fashion is described. By using bridging bipyridine ligands of different lengths, metallosupramolecular macrocycles with distinct sizes have been obtained. Interestingly, an intermediate ring size has been proven to be optimal for the catalytic water oxidation. Detailed kinetic, spectroscopic, and theoretical studies helped to identify the reaction mechanism and to rationalize the different catalytic activities. Furthermore, solubilizing side chains have been introduced for the most active derivative to achieve full water solubility. Secondly, the {Ru(bda)} fragment was embedded into supramolecular aggregates to generate more stable catalytic systems compared to a homogeneous reference complex. Therefore, the catalyst fragment was equipped with axial perylene bisimide (PBI) ligands, which facilitate self-assembly. Moreover, the influence of the different accessible aggregate morphologies on the catalytic performance has been investigated. N2 - Die katalytische Spaltung von Wasser in seine Elemente ist eine wichtige Reaktion für die Erzeugung von Wasserstoff als alternativem Brennstoff. Die Sauerstoff-erzeugende Halbreaktion gilt gemeinhin als Flaschenhals dieses Prozesses, weshalb effiziente Katalysatoren benötigt werden um die komplizierte Redoxchemie zu bewältigen. Die Natur als Vorbild lehrt uns, dass die Einbettung katalytisch aktiver Zentren in eine unterstützende Matrix dazu beitragen kann deren Leistung erheblich zu steigern. Ziel der vorliegenden Dissertation war daher die Etablierung neuartiger supramolekularer Ansätze zur Verbesserung der Wasseroxidationskatalyse. Als Katalysator-Leitmotiv diente das {Ru(bda)}-Fragment (bda = 2,2'-Bipyridin-6,6'-dicarboxylat). Zunächst wird die Synthese von Rutheniumkatalysatoren beschrieben, in denen drei {Ru(bda)}-Zentren in makrozyklischer Weise verknüpft sind. Durch die Verwendung von verbrückenden Bipyridin-Liganden unterschiedlicher Länge wurden metallosupramolekulare Makrozyklen mit verschiedenen Ringgrößen erhalten. Interessanterweise erwies sich eine mittlere Größe als optimal für die katalytische Wasseroxidation. Detaillierte kinetische, spektroskopische und theoretische Untersuchungen haben dazu beigetragen, den Reaktionsmechanismus zu identifizieren und die verschiedenen katalytischen Aktivitäten zu erklären. Darüber hinaus wurden löslichkeitsfördernde Seitenketten für den aktivsten Makrozyklus eingeführt, um eine vollständige Wasserlöslichkeit zu erreichen. Darüber hinaus wurde das {Ru(bda)}-Fragment in supramolekulare Aggregate eingebettet, um im Vergleich zu einem homogenen Referenzkomplex stabilere katalytische Systeme zu erzeugen. Dafür wurde das Katalysatorfragment mit axialen Perylenbisimid-Liganden ausgestattet, welche zur Selbstassemblierung neigen. In diesem Zusammenhang wurde der Einfluss der verschiedenen zugänglichen Aggregatmorphologien auf die katalytische Aktivität untersucht. KW - Ruthenium Komplexe KW - Metallosupramolekulare Chemie KW - Katalyse KW - Wasseroxidation KW - ruthenium complexes KW - metallosupramolecular chemistry KW - catalysis KW - water oxidation Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-154820 ER -