TY - THES A1 - Noll, Niklas T1 - Second Coordination Sphere Engineering in Macrocyclic Ruthenium Water Oxidation Catalysts T1 - Gestaltung der sekundären Koordinationssphäre von makrozyklischen Ruthenium Wasseroxidationskatalysatoren N2 - About 2.4 billion years ago, nature has fundamentally revolutionized life on earth by inventing the multi-subunit protein complex photosystem II, the only molecular machine in nature that catalyzes the thermodynamically demanding photosynthetic splitting of water into oxygen and reducing equivalents. Nature chose a distorted Mn4CaO5 cluster as catalyst, better known as oxygen-evolving complex (OEC), thus recognizing the need for transition metals to achieve high-performance catalysts. The curiosity has always driven mankind to mimic nature’s achievements, but the performance of natural enzymes such as the oxygen-evolving complex in photosystem II remain commonly unmatched. An important role in fine-tuning and regulating the activity of natural enzymes is attributed to the surrounding protein domain, which facilitates substrate preorganization within well-defined nanoenvironments. In light of growing energy demands and the depletion of fossil fuels, the unparalleled efficiency of natural photosynthesis inspires chemists to artificially mimic its natural counterpart to generate hydrogen as a ‘solar fuel’ through the light-driven splitting of water. As a result, significant efforts have been devoted in recent decades to develop molecular water oxidation catalysts based on earth-abundant transition metals and the discovery of the Ru(bda) (bda: 2,2’ bipyridine-6,6’-dicarboxylate) catalyst family enabled activities comparable to the natural OEC. Similar to the natural archetypes, the design of homogeneous catalysts that interplay judiciously with the second coordination sphere of the outer ligand framework proved to be a promising concept for catalyst design. In this present thesis, novel supramolecular design approaches for enzyme like activation of substrate water molecules for the challenging oxidative water splitting reaction were established via tailor-made engineering of the secondary ligand environment of macrocyclic Ru(bda) catalysts. N2 - Vor etwa 2.4 Milliarden Jahren hat die Natur das Leben auf der Erde mit der Entwicklung des mehrgliedrigen Proteinkomplexes Photosystem II grundlegend revolutioniert. Dieser stellt die einzige molekulare Maschine in der Natur dar, die die thermodynamisch anspruchsvolle photosynthetische Spaltung von Wasser in Sauerstoff und reduzierende Äquivalente katalysieren kann. Als Katalyator hat die Natur hierfür ein verzerrtes Mn4CaO5-Cluster ausgewählt, welcher besser bekannt ist als Sauerstoff-produzierender Komplex (OEC, engl.: oxygen-evolving complex). Damit wird die Notwendigkeit von Übergangsmetallen als leistungsfähige Katalysatoren belegt. Die Wissbegierde hat die Menschheit schon immer dazu angetrieben, die Errungenschaften der Natur zu imitieren. Dennoch bleiben die Leistungen natürlicher Enzyme wie die des OEC in Photosystem II häufig unerreicht. Eine wichtige Rolle bei der Feinabstimmung und Regulierung der Aktivität natürlicher Enzyme nimmt die umliegende Proteindomäne ein, die die Vororganisation der Substrate in einer genau definierten Nanoumgebung ermöglicht. Angesichts des wachsenden Energiebedarfs und der Erschöpfung von fossilen Brennstoffen werden Chemiker von der unvergleichlichen Effizienz der natürlichen Photosynthese zu deren künstlichen Nachahmung inspiriert, damit Wasserstoff als "solarer Brennstoff" durch die lichtgetriebene Spaltung von Wasser erzeugt werden kann. Infolgedessen wurden in den letzten Jahrzehnten erhebliche Anstrengungen in die Entwicklung molekularer Wasseroxidationskatalysatoren (WOKs) auf der Basis von Übergangsmetallen unternommen, wobei mit der Entdeckung der Katalysatorfamilie Ru(bda) (bda: 2,2'-Bipyridin-6,6'-dicarboxylat) Aktivitäten vergleichbar mit der des natürlichen OEC realisiert wurden. Als vielversprechendes Konzept für die Entwicklung von Katalysatoren erwies sich die Konstruktion homogener Katalysatoren, die, ähnlich zu den natürlichen Vorbildern, gezielt mit der zweiten Koordinationssphäre eines äußeren Liganden interagieren. In der hier vorliegenden Arbeit wurden neuartige supramolekulare Konzepte zur enzymartigen Aktivierung von Wassermolekülen entwickelt. Hierbei sollte durch eine maßgeschneiderte Konstruktion der sekundären Ligandenumgebung von makrozyklischen Ru(bda)-Katalysatoren die anspruchsvolle oxidative Wasserspaltungsreaktion begünstigt werden. KW - Katalyse KW - Metallosupramolekulare Chemie KW - Wasseroxidation KW - Metallosupramolecular chemistry KW - Catalysis KW - Water Oxidation KW - Second coordination sphere engineering KW - Ruthenium complexes KW - Ruthenium Komplexe Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-305332 ER - TY - JOUR A1 - Noll, Niklas A1 - Groß, Tobias A1 - Shoyama, Kazutaka A1 - Beuerle, Florian A1 - Würthner, Frank T1 - Folding‐Induced Promotion of Proton‐Coupled Electron Transfers via Proximal Base for Light‐Driven Water Oxidation JF - Angewandte Chemie International Edition N2 - Proton‐coupled electron‐transfer (PCET) processes play a key role in biocatalytic energy conversion and storage, for example, photosynthesis or nitrogen fixation. Here, we report a series of bipyridine‐containing di‐ to tetranuclear Ru(bda) macrocycles 2 C–4 C (bda: 2,2′‐bipyridine‐6,6′‐dicarboxylate) to promote O−O bond formation. In photocatalytic water oxidation under neutral conditions, all complexes 2 C–4 C prevail in a folded conformation that support the water nucleophilic attack (WNA) pathway with remarkable turnover frequencies of up to 15.5 s\(^{−1}\) per Ru unit respectively. Single‐crystal X‐ray analysis revealed an increased tendency for intramolecular π‐π stacking and preorganization of the proximal bases close to the active centers for the larger macrocycles. H/D kinetic isotope effect studies and electrochemical data demonstrate the key role of the proximal bipyridines as proton acceptors in lowering the activation barrier for the crucial nucleophilic attack of H\(_{2}\)O in the WNA mechanism. KW - artificial photosynthesis KW - folded macrocyles KW - homogeneous catalysis KW - photocatalysis KW - Ruthenium complexes Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-312020 VL - 62 IS - 7 ER - TY - JOUR A1 - Schlossarek, Tim A1 - Stepanenko, Vladimir A1 - Beuerle, Florian A1 - Würthner, Frank T1 - Self‐assembled Ru(bda) Coordination Oligomers as Efficient Catalysts for Visible Light‐Driven Water Oxidation in Pure Water JF - Angewandte Chemie International Edition N2 - Water‐soluble multinuclear complexes based on ruthenium 2,2′‐bipyridine‐6,6′‐dicarboxylate (bda) and ditopic bipyridine linker units are investigated in three‐component visible light‐driven water oxidation catalysis. Systematic studies revealed a strong enhancement of the catalytic efficiency in the absence of organic co‐solvents and with increasing oligomer length. In‐depth kinetic and morphological investigations suggest that the enhanced performance is induced by the self‐assembly of linear Ru(bda) oligomers into aggregated superstructures. The obtained turnover frequencies (up to 14.9 s\(^{−1}\)) and turnover numbers (more than 1000) per ruthenium center are the highest reported so far for Ru(bda)‐based photocatalytic water oxidation systems. KW - artificial photosynthesis KW - coordination oligomer KW - photocatalysis KW - Ruthenium complexes KW - water oxidation Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-312184 VL - 61 IS - 52 ER - TY - THES A1 - Meza Chincha, Ana Lucia T1 - Catalytic Water Oxidation with Functionalized Ruthenium Macrocycles T1 - Katalytische Wasseroxidation mit funktionalisierten Ruthenium Makrozyklen N2 - In light of the rapidly increasing global demand of energy and the negative effects of climate change, innovative solutions that allow an efficient transition to a carbon-neutral economy are urgently needed. In this context, artificial photosynthesis is emerging as a promising technology to enable the storage of the fluctuating energy of sunlight in chemical bonds of transportable “solar fuels”. Thus, in recent years much efforts have been devoted to the development of robust water oxidation catalysts (WOCs) leading to the discovery of the highly reactive Ru(bda) (bda: 2,2’-bipyridine-6,6’-dicarboxylic acid) catalyst family. The aim of this thesis was the study of chemical and photocatalytic water oxidation with functionalized Ruthenium macrocycles to explore the impact of substituents on molecular properties and catalytic activities of trinuclear macrocyclic Ru(bda) catalysts. A further objective of this thesis comprises the elucidation of factors that influence the light-driven water oxidation process with this novel class of supramolecular WOCs. N2 - Innovative Ansätze zur Ermöglichung eines effizienten Übergangs zur CO2-Neutralität werden angesichts der schnell steigenden Nachfrage nach Energie und der negativen Effekte des Klimawandels dringend gesucht. In diesem Zusammenhang hat das Konzept der künstlichen Photosynthese in den letzten Jahren für besondere Aufmerksamkeit gesorgt. In dieser Hinsicht erscheinen in 2009 erstmals beschriebenen Ru(bda) (bda: 2,2’-bipyridin-6,6’-dicarbonsäure) Wasseroxidationskatalysatoren besonders vielversprechend. Das Ziel dieser Forschungsarbeit war die Untersuchung von funktionalisierten Ruthenium Makrozyklen in der chemischen und photokatalytischen Wasseroxidation, um den Einfluss der Substituenten in den Liganden auf molekulare Eigenschaften und katalytische Aktivitäten der Makrozyklen zu analysieren. Des Weiteren sollten Faktoren identifiziert werden, welche Einfluss auf die Effizienz der Photokatalyse mit dieser neuartigen Klasse von supramolekularen Katalysatoren ausüben. KW - Rutheniumkomplexe KW - Ruthenium complexes KW - Supramolekulare Chemie KW - Katalyse KW - Wasser KW - metallosupramolecular chemistry KW - catalysis KW - water oxidation KW - Oxidation KW - Wasseroxidation KW - Metallosupramolekulare Chemie Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-209620 ER -