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Bulletin of Japan Society of Coordination Chemistry最新文献

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Recent Advances for Reaction Mechanisms of Metal-Catalyzed Activations of Carbon-Containing Bonds with the Aid of Density Functional Calculations 密度泛函计算辅助金属催化含碳键活化反应机理研究进展
Pub Date : 2018-11-30 DOI: 10.4019/BJSCC.72.15
S. Mori
アルキル基やアリール基のクロスカップリング反応 は、炭素―水素、炭素―炭素、炭素―ヘテロ原子結合の 開裂により、異なる炭素置換基を結合させる反応である。 玉尾および熊田のグループおよび R. Corriuらがそれぞれ 独立に、ハロゲン化アルケニルあるいはハロゲン化アリ ールと Grignard試薬を用いて Ni(II)触媒存在下でのクロ スカップリング反応を報告した 。その後、有機ハロ ゲン化物と有機ホウ素化合物からの Pd触媒存在下にお けるクロスカップリング反応である鈴木―宮浦カップリ ング反応 、ハロゲン化アリールあるいはハロゲン化ビ ニルと末端アルケンからスチレン誘導体をパラジウム触 媒存在下で合成する溝呂木―Heck反応 、有機ハロゲ ン化物と有機亜鉛試薬 (有機アルミニウム試薬あるいは 有機ジルコニウム試薬を用いてもよい )を Niあるいは Pd触媒存在下で用いて反応させる根岸カップリング 8−10) など、多くのカップリング反応が開発され、工業的にも 応用されている。鈴木―宮浦カップリング反応および溝 呂木―Heck反応のメカニズムの実験および DFT法によ る解明については、総説等が報告されている 。これ らのカップリング反応の基質としてハロゲン化物など脱 離しやすい官能基が結合した有機化合物が用いられてい ることが多いが、生成するハロゲン化物の除去などの操 作が必要であり、環境負荷をいかに小さくするかの課題 が残っている 。 有機合成の分野では、複雑な骨格を持つ有機化合物の 合成において、炭素―炭素結合生成反応が非常に重要で あるが、近年、金属触媒による炭素―水素結合、炭素― 炭素結合や炭素―ヘテロ原子結合を始めとした不活性結 合の活性化反応が開発されている 。炭素―水素結合 活性化の例は多くみられるが、炭素―炭素結合や炭素― ヘテロ原子結合の活性化については報告例が少なく、有 機合成化学上さらにチャレンジングな課題となってい る。この反応は、原子経済的にも原子効率的にも最近注 目されている。Fig. 1に示すように、炭素―炭素結合や 炭素―ヘテロ原子結合(O,N)の結合エネルギーは、85 kcal/molよりも大きくなり、ブロモベンゼンの炭素−臭 素結合エネルギーよりも大きい 。
烷基或芳基的交叉偶联反应是通过碳-氢、碳-碳、碳-杂原子键的开裂,使不同的碳取代基结合的反应。玉尾和熊田组和R.Corriu等人分别独立地报道了在Ni(II)催化剂存在下,使用卤化烯基或卤化烯丙基和Grignard试剂的交联反应。然后,在有机卤化物和来自有机硼化合物Pd催化剂存在下进行交叉偶联反应即铃木-宫浦偶联反应、由卤代芳基或卤代乙烯基和末端烯烃在钯催化剂存在下合成苯乙烯衍生物的槽吕木-Heck反应、开发了在Ni或Pd催化剂存在下使有机卤化物与有机锌试剂(也可以使用有机铝试剂或有机锆试剂)反应的根岸偶联8-10)等多种偶联反应,在工业上也得到了应用。关于铃木-宫浦偶联反应及槽吕木-Heck反应机理的实验及DFT法的阐明,有综述等。作为这些偶联反应的基质,大多使用结合了卤化物等容易脱离的官能团的有机化合物,但需要进行生成的卤化物的除去等操作,还存在如何减小环境负荷的课题。在有机合成领域,在具有复杂骨架的有机化合物的合成中,碳-碳键生成反应非常重要,但近年来,以金属催化剂的碳-氢键、碳-碳键或碳-杂原子键为首的惰性键合的活化反应正在开发中。碳-氢键活性化的例子很多,但是关于碳-碳键和碳-杂原子键的活性化的报告例很少,在有机合成化学上成为进一步的共价课题。这个反应,无论是原子经济上还是原子效率上最近都受到关注。如Fig.1所示,碳-碳键或碳-杂原子键(O,N)的结合能大于85kcal/mol,大于溴苯的碳-溴结合能。
{"title":"Recent Advances for Reaction Mechanisms of Metal-Catalyzed Activations of Carbon-Containing Bonds with the Aid of Density Functional Calculations","authors":"S. Mori","doi":"10.4019/BJSCC.72.15","DOIUrl":"https://doi.org/10.4019/BJSCC.72.15","url":null,"abstract":"アルキル基やアリール基のクロスカップリング反応 は、炭素―水素、炭素―炭素、炭素―ヘテロ原子結合の 開裂により、異なる炭素置換基を結合させる反応である。 玉尾および熊田のグループおよび R. Corriuらがそれぞれ 独立に、ハロゲン化アルケニルあるいはハロゲン化アリ ールと Grignard試薬を用いて Ni(II)触媒存在下でのクロ スカップリング反応を報告した 。その後、有機ハロ ゲン化物と有機ホウ素化合物からの Pd触媒存在下にお けるクロスカップリング反応である鈴木―宮浦カップリ ング反応 、ハロゲン化アリールあるいはハロゲン化ビ ニルと末端アルケンからスチレン誘導体をパラジウム触 媒存在下で合成する溝呂木―Heck反応 、有機ハロゲ ン化物と有機亜鉛試薬 (有機アルミニウム試薬あるいは 有機ジルコニウム試薬を用いてもよい )を Niあるいは Pd触媒存在下で用いて反応させる根岸カップリング 8−10) など、多くのカップリング反応が開発され、工業的にも 応用されている。鈴木―宮浦カップリング反応および溝 呂木―Heck反応のメカニズムの実験および DFT法によ る解明については、総説等が報告されている 。これ らのカップリング反応の基質としてハロゲン化物など脱 離しやすい官能基が結合した有機化合物が用いられてい ることが多いが、生成するハロゲン化物の除去などの操 作が必要であり、環境負荷をいかに小さくするかの課題 が残っている 。 有機合成の分野では、複雑な骨格を持つ有機化合物の 合成において、炭素―炭素結合生成反応が非常に重要で あるが、近年、金属触媒による炭素―水素結合、炭素― 炭素結合や炭素―ヘテロ原子結合を始めとした不活性結 合の活性化反応が開発されている 。炭素―水素結合 活性化の例は多くみられるが、炭素―炭素結合や炭素― ヘテロ原子結合の活性化については報告例が少なく、有 機合成化学上さらにチャレンジングな課題となってい る。この反応は、原子経済的にも原子効率的にも最近注 目されている。Fig. 1に示すように、炭素―炭素結合や 炭素―ヘテロ原子結合(O,N)の結合エネルギーは、85 kcal/molよりも大きくなり、ブロモベンゼンの炭素−臭 素結合エネルギーよりも大きい 。","PeriodicalId":72479,"journal":{"name":"Bulletin of Japan Society of Coordination Chemistry","volume":" ","pages":""},"PeriodicalIF":0.0,"publicationDate":"2018-11-30","publicationTypes":"Journal Article","fieldsOfStudy":null,"isOpenAccess":false,"openAccessPdf":"https://sci-hub-pdf.com/10.4019/BJSCC.72.15","citationCount":null,"resultStr":null,"platform":"Semanticscholar","paperid":"47773888","PeriodicalName":null,"FirstCategoryId":null,"ListUrlMain":null,"RegionNum":0,"RegionCategory":"","ArticlePicture":[],"TitleCN":null,"AbstractTextCN":null,"PMCID":"","EPubDate":null,"PubModel":null,"JCR":null,"JCRName":null,"Score":null,"Total":0}
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Exotic Functions of Flexible Coordination Polymer Crystals 柔性配位聚合物晶体的奇异功能
Pub Date : 2018-05-31 DOI: 10.4019/BJSCC.71.30
Hiroshi Sato
ナノメートルサイズの細孔を無数にもつ多孔性物質 は、ガス分子などの小分子を効率よく分離したり、除去 したりする機能性物質として古くから私たちの身の回り で活躍している材料である。金属イオンと有機配位子を 組み合わせて合成される「多孔性金属錯体(PCP: Porous Coordination Polymer)」または「金属−有機構造体(MOF: Metal–Organic Framework)」と呼ばれる多孔性物質の開 発においては、配位結合の多様性を活かし、分子レベル で細孔の大きさや形状、化学的性質を様々に設計し合成 できるため、加速度的に研究開発が進んでいる。PCP/ MOFが他の物質と比較してユニークな点は、結晶性で ありながら、環境に応じて柔軟にそれらの構造を変化さ せる点である 。PCP/MOFに合理的に構造柔軟性を導 入する代表的な手法を Fig.1に示した。「固さ」と「柔 らかさ」が協奏的に働くユニークな細孔機能材料の合成 と機能、メカニズム解明について筆者らは研究を進めて きており、現在までいくつかの興味ある結果を得ている。 ここでは、結晶材料の面白さに取りつかれる中で、筆者 らが幸運にも発見に至った事例をもとに固くも柔らかい 多孔性金属錯体結晶が示す特異機能をご紹介したい。
具有无数纳米大小的细孔的多孔性物质,作为能有效分离气体分子等小分子的功能性物质,自古以来就活跃在我们身边。由金属离子和有机配体组合而成的“多孔性金属配合物(PCP, Porous Coordination Polymer)”或“金属-有机结构体(MOF)”在被称为“Metal - Organic Framework”的多孔性物质的开发中,充分利用配位结合的多样性,在分子水平上设计各种各样的细孔大小、形状和化学性质进行合成因为能做到,所以研究开发正在加速进行。PCP/ MOF与其他物质相比的独特之处在于,它是结晶性的,同时可以根据环境灵活地改变它们的结构。在Fig.1中示出了合理地将结构灵活性引入PCP/MOF的代表性方法。笔者一直致力于“硬度”和“柔软度”协同作用的独特细孔功能材料的合成、功能和机理的阐明,目前已经获得了一些令人感兴趣的结果。在这里,我想以笔者有幸发现的案例为基础,介绍一下又硬又软的多孔性金属络合物结晶所显示的特异功能。
{"title":"Exotic Functions of Flexible Coordination Polymer Crystals","authors":"Hiroshi Sato","doi":"10.4019/BJSCC.71.30","DOIUrl":"https://doi.org/10.4019/BJSCC.71.30","url":null,"abstract":"ナノメートルサイズの細孔を無数にもつ多孔性物質 は、ガス分子などの小分子を効率よく分離したり、除去 したりする機能性物質として古くから私たちの身の回り で活躍している材料である。金属イオンと有機配位子を 組み合わせて合成される「多孔性金属錯体(PCP: Porous Coordination Polymer)」または「金属−有機構造体(MOF: Metal–Organic Framework)」と呼ばれる多孔性物質の開 発においては、配位結合の多様性を活かし、分子レベル で細孔の大きさや形状、化学的性質を様々に設計し合成 できるため、加速度的に研究開発が進んでいる。PCP/ MOFが他の物質と比較してユニークな点は、結晶性で ありながら、環境に応じて柔軟にそれらの構造を変化さ せる点である 。PCP/MOFに合理的に構造柔軟性を導 入する代表的な手法を Fig.1に示した。「固さ」と「柔 らかさ」が協奏的に働くユニークな細孔機能材料の合成 と機能、メカニズム解明について筆者らは研究を進めて きており、現在までいくつかの興味ある結果を得ている。 ここでは、結晶材料の面白さに取りつかれる中で、筆者 らが幸運にも発見に至った事例をもとに固くも柔らかい 多孔性金属錯体結晶が示す特異機能をご紹介したい。","PeriodicalId":72479,"journal":{"name":"Bulletin of Japan Society of Coordination Chemistry","volume":" ","pages":""},"PeriodicalIF":0.0,"publicationDate":"2018-05-31","publicationTypes":"Journal Article","fieldsOfStudy":null,"isOpenAccess":false,"openAccessPdf":"","citationCount":null,"resultStr":null,"platform":"Semanticscholar","paperid":"42586366","PeriodicalName":null,"FirstCategoryId":null,"ListUrlMain":null,"RegionNum":0,"RegionCategory":"","ArticlePicture":[],"TitleCN":null,"AbstractTextCN":null,"PMCID":"","EPubDate":null,"PubModel":null,"JCR":null,"JCRName":null,"Score":null,"Total":0}
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Metal coordination as a template strategy to make resilient woven materials 金属配合作为制造弹性编织材料的模板策略
Pub Date : 2018-05-31 DOI: 10.4019/BJSCC.71.12
Yuzhong Liu, O. Yaghi
Metal coordination has been used extensively as a template strategy in the field of supramolecular chemistry. Preorganization of molecular components into a desirable orientation by metal complexation has allowed for the designed synthesis of interlocking molecules in high yields. Synthetic chemists have since learned to intertwine discrete molecular entities into entangled architectures with increasing complexity limited only by imagination. This template strategy has recently been implemented in the making woven extended structures. By linking building units that contain a metal complex core, twoand three-dimensional (2D and 3D) frameworks can be constructed where long threads of covalently linked molecules that are interwoven at regular intervals and templated by the metal ions. Upon demetalation, the threads have high degrees of freedom for spatial deviation to take place between them while preserving the overall structure, endowing the material with exceptional mechanical properties and dynamics.
金属配位作为一种模板策略在超分子化学领域得到了广泛的应用。通过金属络合将分子组分预组织成所需的取向,允许以高产率设计合成互锁分子。合成化学家从此学会了将离散的分子实体交织成纠缠的结构,其复杂性越来越高,仅受想象力的限制。这种模板策略最近已经在制造编织扩展结构中得到了实施。通过连接包含金属络合物核心的构建单元,可以构建二维和三维(2D和3D)框架,其中共价连接的分子以规则的间隔交织并由金属离子模板化。脱金属后,螺纹具有很高的自由度,可以在它们之间发生空间偏差,同时保持整体结构,赋予材料非凡的机械性能和动力学性能。
{"title":"Metal coordination as a template strategy to make resilient woven materials","authors":"Yuzhong Liu, O. Yaghi","doi":"10.4019/BJSCC.71.12","DOIUrl":"https://doi.org/10.4019/BJSCC.71.12","url":null,"abstract":"Metal coordination has been used extensively as a template strategy in the field of supramolecular chemistry. Preorganization of molecular components into a desirable orientation by metal complexation has allowed for the designed synthesis of interlocking molecules in high yields. Synthetic chemists have since learned to intertwine discrete molecular entities into entangled architectures with increasing complexity limited only by imagination. This template strategy has recently been implemented in the making woven extended structures. By linking building units that contain a metal complex core, twoand three-dimensional (2D and 3D) frameworks can be constructed where long threads of covalently linked molecules that are interwoven at regular intervals and templated by the metal ions. Upon demetalation, the threads have high degrees of freedom for spatial deviation to take place between them while preserving the overall structure, endowing the material with exceptional mechanical properties and dynamics.","PeriodicalId":72479,"journal":{"name":"Bulletin of Japan Society of Coordination Chemistry","volume":" ","pages":""},"PeriodicalIF":0.0,"publicationDate":"2018-05-31","publicationTypes":"Journal Article","fieldsOfStudy":null,"isOpenAccess":false,"openAccessPdf":"https://sci-hub-pdf.com/10.4019/BJSCC.71.12","citationCount":null,"resultStr":null,"platform":"Semanticscholar","paperid":"43018360","PeriodicalName":null,"FirstCategoryId":null,"ListUrlMain":null,"RegionNum":0,"RegionCategory":"","ArticlePicture":[],"TitleCN":null,"AbstractTextCN":null,"PMCID":"","EPubDate":null,"PubModel":null,"JCR":null,"JCRName":null,"Score":null,"Total":0}
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Creation of Porous Functional Materials based on Self-organization of Multinuclear Metallomacrocycles 基于多核金属大环自组织的多孔功能材料的制备
Pub Date : 2018-05-31 DOI: 10.4019/BJSCC.71.39
S. Tashiro
錯体化学を基盤とした応用研究における代表例の一つ として、Metal–Organic Framework (MOF) などの多孔性 配位高分子をはじめとした多孔性結晶材料の開発と機 能化が挙げられる 。これら多孔性結晶の主な用途は、 物質貯蔵や混合物分離、重合反応、触媒などであり、最 近では包接分子の構造解析手法としても活用されはじめ ているが、これらの機能の根幹は言うまでもなく結晶細 孔内への分子の包接である。すなわち、多孔性結晶の機 能設計や性能向上を図るためには、結晶細孔内での分子 包接・配列を精密に設計・制御することが極めて重要で ある。 そのためのアプローチの一つとして、分子認識能を有 するホスト化合物を構成要素として多孔性結晶を作成す ることができれば、細孔内での分子包接・配列をあらか じめプログラムすることが可能となり、その設計性およ び包接効率を格段に向上させることができる 。すな わち、環状ないしはケージ状ホスト化合物を構成要素と した多孔性結晶を合成できれば、それらの構成要素が本 来持つ高い分子認識能を結晶細孔内にそのまま組み込む ことが可能となる(Fig. 1)。例えば配位高分子では、柱 となる有機配位子にクラウンエーテル やピラーアレ ーン などの環状ホスト化合物を組み込んだ多孔性結 晶が合成されている。また、環状ホスト化合物自身を配 位高分子の柱そのものとして活用することもでき、その 代表例の一つは Stoddartらによって開発された CD-MOF であり、これはシクロデキストリン(CD)とアルカリ 金属イオンからなる多孔性配位高分子である。興味深い ことに、ある種の CD-MOFは食用原料のみから合成す ることも可能であり、Edible MOFとしても知られてい In this account, a new method for the creation of porous functional materials based on the self-organization of metallomacrocycles is described. For instance, the authors have developed a new series of porous molecular crystals, metal– macrocycle frameworks (MMFs), through crystallization of Pd3-macrocycles. It was also found that MMFs with multiple binding pockets on the pore surface served as excellent host frameworks for precise molecular arrangement, chiral recognition, sizespecific catalytic reaction, and in situ observation of a molecular adsorption process. In addition, the one-dimensional assembly of metallomacrocycles is also described as another approach for the construction of metal-modified pores and various metal arrays. This method is therefore one of the promising ways to develop unique porous materials such as highly efficient and selective catalysts based on the precise arrangement of guest compounds and metal ions in the pores.
作为以络合物化学为基础的应用研究的代表例之一,可以举出以Metal-Organic Framework(MOF)等多孔性配位高分子为首的多孔性结晶材料的开发和功能化。这些多孔性晶体的主要用途是物质贮藏、混合物分离、聚合反应、催化剂等,最近也开始作为包接分子的结构解析方法被活用,但这些功能的根本不言而喻是分子包接到晶体细孔内。即,为了实现多孔性晶体的功能设计和性能提高,精密地设计、控制晶体细孔内的分子包接、排列是极其重要的。作为为此的方法之一,如果能够以具有分子识别能力的主体化合物为构成要素制作多孔性晶体,则能够对细孔内的分子包接、排列进行粗加工程序,能够显著提高其设计性和包接效率。即,如果能够合成以环状或笼状主体化合物为构成要素的多孔性晶体,则能够将这些构成要素原本具有的高分子识别能力直接组装到晶体细孔内(Fig.1)。例如,在配位高分子中,合成了在作为柱的有机配位体中组装有冠醚或柱芳烃等环状主体化合物的多孔性结晶。另外,也可以将环状主体化合物自身作为配位高分子的柱本身来活用,其代表例之一是由Stoddart等人开发的CD-MOF,其是由环糊精(CD)和碱金属离子构成的多孔性配位高分子。有趣的是,某些CD-MOF也可以仅由食用原料合成,作为Edible MOF而广为人知的In this account,anew method for the creation of porous functional materials based on the self-organization of metallomacrocycles is described。For instance,the authors have developed anew series of porous molecular crystals,metal-macrocycle frameworks(MMFs),through crystallization of Pd3-macrocycles。It was also found that MMFs with multiple binding pockets on the pore surface served as excellent host frameworks for precise molecularrangement,chiral recognition,sizespecific alytic reaction,and in situ observation of a molecular adsorption process。In addition,the one-dimensional assembly of metallomacrocycles is also described as another approach for the construction of metal-modified pores and various metal arrays。This method is therefore one of the promising ways to develop unique porous materials such as highly efficient and selective catalys based on the precise arrangement of guest compounds and metalions in the pores。
{"title":"Creation of Porous Functional Materials based on Self-organization of Multinuclear Metallomacrocycles","authors":"S. Tashiro","doi":"10.4019/BJSCC.71.39","DOIUrl":"https://doi.org/10.4019/BJSCC.71.39","url":null,"abstract":"錯体化学を基盤とした応用研究における代表例の一つ として、Metal–Organic Framework (MOF) などの多孔性 配位高分子をはじめとした多孔性結晶材料の開発と機 能化が挙げられる 。これら多孔性結晶の主な用途は、 物質貯蔵や混合物分離、重合反応、触媒などであり、最 近では包接分子の構造解析手法としても活用されはじめ ているが、これらの機能の根幹は言うまでもなく結晶細 孔内への分子の包接である。すなわち、多孔性結晶の機 能設計や性能向上を図るためには、結晶細孔内での分子 包接・配列を精密に設計・制御することが極めて重要で ある。 そのためのアプローチの一つとして、分子認識能を有 するホスト化合物を構成要素として多孔性結晶を作成す ることができれば、細孔内での分子包接・配列をあらか じめプログラムすることが可能となり、その設計性およ び包接効率を格段に向上させることができる 。すな わち、環状ないしはケージ状ホスト化合物を構成要素と した多孔性結晶を合成できれば、それらの構成要素が本 来持つ高い分子認識能を結晶細孔内にそのまま組み込む ことが可能となる(Fig. 1)。例えば配位高分子では、柱 となる有機配位子にクラウンエーテル やピラーアレ ーン などの環状ホスト化合物を組み込んだ多孔性結 晶が合成されている。また、環状ホスト化合物自身を配 位高分子の柱そのものとして活用することもでき、その 代表例の一つは Stoddartらによって開発された CD-MOF であり、これはシクロデキストリン(CD)とアルカリ 金属イオンからなる多孔性配位高分子である。興味深い ことに、ある種の CD-MOFは食用原料のみから合成す ることも可能であり、Edible MOFとしても知られてい In this account, a new method for the creation of porous functional materials based on the self-organization of metallomacrocycles is described. For instance, the authors have developed a new series of porous molecular crystals, metal– macrocycle frameworks (MMFs), through crystallization of Pd3-macrocycles. It was also found that MMFs with multiple binding pockets on the pore surface served as excellent host frameworks for precise molecular arrangement, chiral recognition, sizespecific catalytic reaction, and in situ observation of a molecular adsorption process. In addition, the one-dimensional assembly of metallomacrocycles is also described as another approach for the construction of metal-modified pores and various metal arrays. This method is therefore one of the promising ways to develop unique porous materials such as highly efficient and selective catalysts based on the precise arrangement of guest compounds and metal ions in the pores.","PeriodicalId":72479,"journal":{"name":"Bulletin of Japan Society of Coordination Chemistry","volume":" ","pages":""},"PeriodicalIF":0.0,"publicationDate":"2018-05-31","publicationTypes":"Journal Article","fieldsOfStudy":null,"isOpenAccess":false,"openAccessPdf":"https://sci-hub-pdf.com/10.4019/BJSCC.71.39","citationCount":null,"resultStr":null,"platform":"Semanticscholar","paperid":"48601991","PeriodicalName":null,"FirstCategoryId":null,"ListUrlMain":null,"RegionNum":0,"RegionCategory":"","ArticlePicture":[],"TitleCN":null,"AbstractTextCN":null,"PMCID":"","EPubDate":null,"PubModel":null,"JCR":null,"JCRName":null,"Score":null,"Total":0}
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Coordination Chemistry Pioneered by Bridging Si- and Ge-Ligands 由桥接硅和锗配体开创的配位化学
Pub Date : 2018-05-31 DOI: 10.4019/BJSCC.71.3
K. Osakada
Transition metal complexes, having the coordination bonds with strong covalent-bond characters, undergo various bond-forming reactions, similar to the organo-transition metal complexes with a metal-carbon s -bond. This article reviews recent studies by the author and his co-workers on the multinuclear complexes of group 10 transition metal complexes having bridging Si- and Ge-ligands. Triangular triplatinum(0) complexes having three bridging diarylsilylene ligands are newly prepared, and undergo skeletal rearrangement on addition of alkynes. The complex with SiPh 2 ligands catalyzes hydrosilylation of aromatic aldehydes and ketones with H 2 SiPh 2 . Detailed studies on the dipalladium and diplatinum complexes with bridging Si- and Ge-ligands revealed unique chemical properties, such as activation of the Si–H bond of the ligand as well as bond forming reactions of the bridging germylene with germyl ligands. Tetra-, penta-, hexa-, and octa-nuclear Pd and Pt complexes with the bridging silylene and germylene ligands are obtained from heating a mixture of the metal-phosphine complexes, precursor of the Si- and Ge-ligands, and scavenger of the auxiliary ligands. Thus formed complexes react with metal halides and with the Si- and Ge-compounds to produce new multinuclear transition metal complexes. The reactions occur reversibly because of kinetic lability of the multinuclear complexes with the bridging Si- and Ge-ligands.
过渡金属配合物具有强共价键性质的配位键,与具有金属-碳s键的有机过渡金属复合物类似,会发生各种成键反应。本文综述了作者及其同事最近对具有桥接硅和锗配体的第10族过渡金属配合物的多核配合物的研究。新制备了具有三个桥接二芳基甲硅烷基配体的三角三肽(0)配合物,并在添加炔烃时进行骨架重排。与SiPh2配体的配合物催化芳香醛和酮与H2 SiPh2的硅氢化反应。对具有桥接Si和Ge配体的二钯和二铂配合物的详细研究揭示了独特的化学性质,如配体的Si–H键的活化,以及桥接锗烯与锗基配体的成键反应。通过加热金属膦络合物、Si和Ge配体的前体以及辅助配体的清除剂的混合物,获得具有桥接亚甲硅烷基和亚锗烷基配体的四核、五核、六核和八核Pd和Pt络合物。这样形成的配合物和金属卤化物以及硅和锗化合物反应生成新的多核过渡金属配合物。由于具有桥接硅和锗配体的多核配合物的动力学不稳定,反应可逆地发生。
{"title":"Coordination Chemistry Pioneered by Bridging Si- and Ge-Ligands","authors":"K. Osakada","doi":"10.4019/BJSCC.71.3","DOIUrl":"https://doi.org/10.4019/BJSCC.71.3","url":null,"abstract":"Transition metal complexes, having the coordination bonds with strong covalent-bond characters, undergo various bond-forming reactions, similar to the organo-transition metal complexes with a metal-carbon s -bond. This article reviews recent studies by the author and his co-workers on the multinuclear complexes of group 10 transition metal complexes having bridging Si- and Ge-ligands. Triangular triplatinum(0) complexes having three bridging diarylsilylene ligands are newly prepared, and undergo skeletal rearrangement on addition of alkynes. The complex with SiPh 2 ligands catalyzes hydrosilylation of aromatic aldehydes and ketones with H 2 SiPh 2 . Detailed studies on the dipalladium and diplatinum complexes with bridging Si- and Ge-ligands revealed unique chemical properties, such as activation of the Si–H bond of the ligand as well as bond forming reactions of the bridging germylene with germyl ligands. Tetra-, penta-, hexa-, and octa-nuclear Pd and Pt complexes with the bridging silylene and germylene ligands are obtained from heating a mixture of the metal-phosphine complexes, precursor of the Si- and Ge-ligands, and scavenger of the auxiliary ligands. Thus formed complexes react with metal halides and with the Si- and Ge-compounds to produce new multinuclear transition metal complexes. The reactions occur reversibly because of kinetic lability of the multinuclear complexes with the bridging Si- and Ge-ligands.","PeriodicalId":72479,"journal":{"name":"Bulletin of Japan Society of Coordination Chemistry","volume":" ","pages":""},"PeriodicalIF":0.0,"publicationDate":"2018-05-31","publicationTypes":"Journal Article","fieldsOfStudy":null,"isOpenAccess":false,"openAccessPdf":"https://sci-hub-pdf.com/10.4019/BJSCC.71.3","citationCount":null,"resultStr":null,"platform":"Semanticscholar","paperid":"48346262","PeriodicalName":null,"FirstCategoryId":null,"ListUrlMain":null,"RegionNum":0,"RegionCategory":"","ArticlePicture":[],"TitleCN":null,"AbstractTextCN":null,"PMCID":"","EPubDate":null,"PubModel":null,"JCR":null,"JCRName":null,"Score":null,"Total":0}
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Development of approximate spin projection method and its application for elucidation of electronic structures, molecular structures and physical properties of polynuclear metal complexes 近似自旋投影法的发展及其在多核金属配合物电子结构、分子结构和物理性质研究中的应用
Pub Date : 2018-05-31 DOI: 10.4019/bjscc.71.57
Y. Kitagawa, Toru Saito, K. Yamaguchi
近年の量子化学理論および計算機の発達は、実在する 比較的大きな分子の第一原理計算を可能とした。また、 第一原理計算に関する商用ソフトウェアの普及は、広く 研究者に量子化学計算を実行する環境を提供したことも あり、様々な分子の電子状態、構造、そして特性が第一 原理的に求められるようになってきた。今や理論計算は 化学分野において、合成、測定に次ぐ第三のアプローチ としての地位を確立しつつある。実際、多くの化学雑誌 において、第一原理計算の結果を含んだ論文を目にする ようになった。錯体分野に関しても第一原理計算による 理論的解釈が行われるようになってきた。 錯体の電 子状態の特徴の一つには、主として d軌道による擬縮退 したフロンティア軌道と、そこに存在する金属イオンの 不対電子(=電子スピン)の存在があげられる。このよ うな、局在スピンサイトを有する系を一般的に開殻系と 呼ぶが、特に複核錯体では、錯体中の金属イオンが複数 の局在スピンサイトとなるため、多様なスピン状態を生 み出す。 この開殻性を有した物質群は、物性物理の分 野では強相関電子系とも呼ばれ、スピン・軌道・フォノ ンなどが絡み合い、例えば磁性、伝導性、光物性など 多様な物性を発現する。 また近年注目を集めている、 PSII光合成活性中心のMnクラスター やフェレドキ シンなどの電子伝達タンパク質に含まれる鉄-硫黄ク ラスター なども強相関電子系であり、生体は巧みに この性質を利用しながら反応を行なっていることも明ら かになりつつある。従って、第一原理計算を用い、これ らの分子構造・電子(スピン)状態そして物性発現機構 の関係性をミクロな視点から明らかにすることができれ ば、そこから機能性分子の設計原理を導出することも可 能となる。このように、第一原理計算による錯体の特性 解明、そして機能性分子の理論設計は今後ますます進展 することが予想される。しかしながら後述するように、 A broken-symmetry (BS) method is now widely used for systems that involve (quasi) degenerate frontier orbitals because of their lower cost of computations. The BS method splits up-spin and down-spin electrons into two different spatial orbitals. Within the BS method, therefore, a singlet spin state of the degenerate system is expressed as a spinpolarized state e.g. a singlet diradical. However the spin-polarized wavefunction suffers from a serious problem called a spin contamination error. An approximate spin projection (AP) method can eliminate the error from the BS solution by assuming the Heisenberg model, and one can obtain molecular energies and its derivatives without the error. In this accounts, we illustrate a theoretical background of the BS and AP methods, starting from a bond dissociation of the simplest H2 molecule. And we also show some examples of its application especially for Cr(II)2 complex that is a typical spin-polarized system with a multiple bond.
近年来,量子化学理论和计算机的发展使实际存在的较大分子的第一原理计算成为可能。此外,第一原理计算相关的商用软件的普及,为广大的研究人员提供了执行量子化学计算的环境,各种分子的电子状态、结构和特性也开始成为第一原理的要求。如今,理论计算在化学领域中逐渐成为继合成和测量之后的第三种方法。实际上,在很多化学杂志上都能看到包含第一原理计算结果的论文。关于配合物领域,也开始通过第一原理计算进行理论解释。配合物电子状态的特征之一,主要是由d轨道产生的拟缩的前沿轨道,以及存在于其中的金属离子的失对电子(即电子自旋)。具有这种局域自旋位点的系统一般被称为开壳系统,特别是在核络合物中,络合物中的金属离子会成为多个局域自旋位点,因此会产生多种自旋状态。具有开壳性的物质群在凝聚态物理的分支中也被称为强相关电子系统,自旋、轨道、声子等相互缠绕,表现出磁性、传导性、光物性等多种物性。另外,近年来引人注目的PSII光合作用活性中心的Mn集群和feredicin等电子传递蛋白质中含有的铁-硫簇等也是强相关电子系统,生物巧妙地利用这一性质进行反应的事情也逐渐被发现。因此,利用第一原理计算,如果能从微观角度明确这些分子结构、电子(自旋)状态以及物性表现机制之间的关系,就可以推导出功能性分子的设计原理。由此可见,基于第一原理计算的配合物特性阐明以及功能性分子的理论设计今后将会取得越来越大的进展。但是正如后面所述,A broken-symmetry (BS) method is now widely used for systems that involve (quasi)degenerate frontier orbitals because of their lower cost of computations. The BS method splitsup-spin and down-spin electrons into two different spatial orbitals. Within the BS method,therefore,a singlet spin state of the degenerate system is expressed as a spinpolarized state e.g.asingletdiradical. However the spin-polarized wavefunction suffers from a serious problem called a spincontamination error. An approximate spin projection (AP) method can eliminate the error from the BSlution by assuming the Heisenberg model,and one can obtain molecular energies and its derivatives without the error. In this accounts,we illustrate a theoretical background of the BS and AP methods,starting from a bond dissociation of the simplest H2 molecule. And we also show some examples of itsapplication especially for Cr(II)2 complex that is a typical spin-polarized system with a multiplebond。
{"title":"Development of approximate spin projection method and its application for elucidation of electronic structures, molecular structures and physical properties of polynuclear metal complexes","authors":"Y. Kitagawa, Toru Saito, K. Yamaguchi","doi":"10.4019/bjscc.71.57","DOIUrl":"https://doi.org/10.4019/bjscc.71.57","url":null,"abstract":"近年の量子化学理論および計算機の発達は、実在する 比較的大きな分子の第一原理計算を可能とした。また、 第一原理計算に関する商用ソフトウェアの普及は、広く 研究者に量子化学計算を実行する環境を提供したことも あり、様々な分子の電子状態、構造、そして特性が第一 原理的に求められるようになってきた。今や理論計算は 化学分野において、合成、測定に次ぐ第三のアプローチ としての地位を確立しつつある。実際、多くの化学雑誌 において、第一原理計算の結果を含んだ論文を目にする ようになった。錯体分野に関しても第一原理計算による 理論的解釈が行われるようになってきた。 錯体の電 子状態の特徴の一つには、主として d軌道による擬縮退 したフロンティア軌道と、そこに存在する金属イオンの 不対電子(=電子スピン)の存在があげられる。このよ うな、局在スピンサイトを有する系を一般的に開殻系と 呼ぶが、特に複核錯体では、錯体中の金属イオンが複数 の局在スピンサイトとなるため、多様なスピン状態を生 み出す。 この開殻性を有した物質群は、物性物理の分 野では強相関電子系とも呼ばれ、スピン・軌道・フォノ ンなどが絡み合い、例えば磁性、伝導性、光物性など 多様な物性を発現する。 また近年注目を集めている、 PSII光合成活性中心のMnクラスター やフェレドキ シンなどの電子伝達タンパク質に含まれる鉄-硫黄ク ラスター なども強相関電子系であり、生体は巧みに この性質を利用しながら反応を行なっていることも明ら かになりつつある。従って、第一原理計算を用い、これ らの分子構造・電子(スピン)状態そして物性発現機構 の関係性をミクロな視点から明らかにすることができれ ば、そこから機能性分子の設計原理を導出することも可 能となる。このように、第一原理計算による錯体の特性 解明、そして機能性分子の理論設計は今後ますます進展 することが予想される。しかしながら後述するように、 A broken-symmetry (BS) method is now widely used for systems that involve (quasi) degenerate frontier orbitals because of their lower cost of computations. The BS method splits up-spin and down-spin electrons into two different spatial orbitals. Within the BS method, therefore, a singlet spin state of the degenerate system is expressed as a spinpolarized state e.g. a singlet diradical. However the spin-polarized wavefunction suffers from a serious problem called a spin contamination error. An approximate spin projection (AP) method can eliminate the error from the BS solution by assuming the Heisenberg model, and one can obtain molecular energies and its derivatives without the error. In this accounts, we illustrate a theoretical background of the BS and AP methods, starting from a bond dissociation of the simplest H2 molecule. And we also show some examples of its application especially for Cr(II)2 complex that is a typical spin-polarized system with a multiple bond.","PeriodicalId":72479,"journal":{"name":"Bulletin of Japan Society of Coordination Chemistry","volume":"1 1","pages":""},"PeriodicalIF":0.0,"publicationDate":"2018-05-31","publicationTypes":"Journal Article","fieldsOfStudy":null,"isOpenAccess":false,"openAccessPdf":"https://sci-hub-pdf.com/10.4019/bjscc.71.57","citationCount":null,"resultStr":null,"platform":"Semanticscholar","paperid":"70514979","PeriodicalName":null,"FirstCategoryId":null,"ListUrlMain":null,"RegionNum":0,"RegionCategory":"","ArticlePicture":[],"TitleCN":null,"AbstractTextCN":null,"PMCID":"","EPubDate":null,"PubModel":null,"JCR":null,"JCRName":null,"Score":null,"Total":0}
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Photo- and electrocatalytic H2 evolution with cobalt oxime complexes 钴肟配合物的光催化和电催化析氢
Pub Date : 2018-05-31 DOI: 10.4019/BJSCC.71.18
Janina Willkomm, E. Reisner
41 in of electro-and photocatalytic integrate materials devices for (light-driven) H 2 evolution. 42–47 the application cobalt oxime complexes as catalysts in such systems reviewed. Converting sunlight into storable chemical energy carriers, such as dihydrogen (H 2 ), through light-driven splitting of water is a widely studied approach to secure future energy supplies and sustainability. Molecular complexes based on inexpensive and earth-abundant 3d transition metals have been extensively explored as catalysts for the reduction of water to H 2 . Among these, cobalt complexes with an oxime functionality ( i.e., cobaloxime and cobalt diimine-dioxime) efficiently reduce protons in pure water with low to moderate overpotentials, and they have been shown to remain active under aerobic conditions. Based on their simple and straightforward synthesis in addition to their excellent electrochemical properties, they are often applied as the first-choice catalyst when testing new materials or introducing new concepts for H 2 evolution. In this review, their basic electrochemical and electrocatalytic properties as well as mechanistic investigations will be summarized, followed by an overview of their application in photocatalysis. Finally, their integration with (nano)materials for (photo)electrocatalytic H 2 evolution is presented and discussed.
41英寸的用于(光驱动)H2进化的电和光催化集成材料器件。42-47综述了钴肟络合物作为催化剂在此类系统中的应用。通过光驱动的水分解,将阳光转化为可储存的化学能量载体,如二氢(H2),是一种被广泛研究的确保未来能源供应和可持续性的方法。基于廉价且富含地球的三维过渡金属的分子配合物已被广泛探索作为将水还原为H2的催化剂。其中,具有肟官能团的钴络合物(即钴肟和钴二亚胺二肟)以低至中等过电位有效地还原纯水中的质子,并且它们已被证明在需氧条件下保持活性。基于它们简单直接的合成以及优异的电化学性能,它们通常被用作测试新材料或引入H2进化新概念时的首选催化剂。在这篇综述中,将总结它们的基本电化学和电催化性能以及机理研究,然后概述它们在光催化中的应用。最后,介绍并讨论了它们与(纳米)材料的结合,用于(光)电催化H2的析出。
{"title":"Photo- and electrocatalytic H2 evolution with cobalt oxime complexes","authors":"Janina Willkomm, E. Reisner","doi":"10.4019/BJSCC.71.18","DOIUrl":"https://doi.org/10.4019/BJSCC.71.18","url":null,"abstract":"41 in of electro-and photocatalytic integrate materials devices for (light-driven) H 2 evolution. 42–47 the application cobalt oxime complexes as catalysts in such systems reviewed. Converting sunlight into storable chemical energy carriers, such as dihydrogen (H 2 ), through light-driven splitting of water is a widely studied approach to secure future energy supplies and sustainability. Molecular complexes based on inexpensive and earth-abundant 3d transition metals have been extensively explored as catalysts for the reduction of water to H 2 . Among these, cobalt complexes with an oxime functionality ( i.e., cobaloxime and cobalt diimine-dioxime) efficiently reduce protons in pure water with low to moderate overpotentials, and they have been shown to remain active under aerobic conditions. Based on their simple and straightforward synthesis in addition to their excellent electrochemical properties, they are often applied as the first-choice catalyst when testing new materials or introducing new concepts for H 2 evolution. In this review, their basic electrochemical and electrocatalytic properties as well as mechanistic investigations will be summarized, followed by an overview of their application in photocatalysis. Finally, their integration with (nano)materials for (photo)electrocatalytic H 2 evolution is presented and discussed.","PeriodicalId":72479,"journal":{"name":"Bulletin of Japan Society of Coordination Chemistry","volume":" ","pages":""},"PeriodicalIF":0.0,"publicationDate":"2018-05-31","publicationTypes":"Journal Article","fieldsOfStudy":null,"isOpenAccess":false,"openAccessPdf":"https://sci-hub-pdf.com/10.4019/BJSCC.71.18","citationCount":null,"resultStr":null,"platform":"Semanticscholar","paperid":"47212191","PeriodicalName":null,"FirstCategoryId":null,"ListUrlMain":null,"RegionNum":0,"RegionCategory":"","ArticlePicture":[],"TitleCN":null,"AbstractTextCN":null,"PMCID":"","EPubDate":null,"PubModel":null,"JCR":null,"JCRName":null,"Score":null,"Total":0}
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Functional significance of the “distorted chair” topology of the Mn cluster for oxygen evolution in photosynthesis Mn簇的“扭曲椅子”拓扑结构在光合作用中析氧的功能意义
Pub Date : 2017-11-30 DOI: 10.4019/BJSCC.70.2
H. Isobe
自然界におけるほとんどすべての生命活動は、恒常的 に得られる太陽光エネルギーを利用して大気中の二酸化 炭素から生物が利用可能な有機物を生産する光合成に依 存している。光合成を生命と地球の共進化の視点から眺 めて特筆すべき点は、藻類や緑色植物など多くの光合成 を行う生物が地球上に豊富に存在する水を電子の供給源 として用いる高度な仕組みを獲得したことである。副産 物として放出された大量の酸素は長い年月をかけて海中 や大気に蓄積され、生物に有害な紫外線を吸収するオゾ ン層が形成された。さらに、猛毒である酸素への耐性と 大きなエネルギー変化を伴う酸素循環を利用した呼吸機 能を生物が獲得することで、太陽光という無尽蔵のエネ ルギーを利用して有限な炭素を無機的環境と生物界の間 で無限に循環させることができる高効率で持続可能なエ ネルギー変換の仕組みが確立された。酸素の高い酸化力 は、膨大な数の有機化合物を代謝・生合成する酵素群の 分子進化と生理機能の多様化をもたらし、生物進化を推 進する原動力となった。光合成が生物界で水を分解して 酸素を発生させることができる唯一の反応系である事実 を考えれば、そのメカニズムを理解することは、学術的 意義に留まらず、地球温暖化や化石燃料枯渇に伴う環境・ エネルギー問題の解決を考える上で極めて重要な研究課 題になっていることは論を俟たない。 光合成の初期過程である光エネルギーから化学エネル ギーへの変換は、光の吸収と励起によって誘起される電 荷分離とそれに続く電子移動と ATP合成からなる膨大 な数の反応の連鎖である。一連の電子伝達反応の酸化側 末端で、光合成に必要な電子を供給する重要な役割を担 っているのが光化学系 II(Photosystem II、PSII)と呼ば れる膜タンパク質複合体である 。そのため、PSIIには 一定の位置と配向で固定された電子伝達コファクターと バルクの水分子をタンパク質内部に導く(あるいはプロ トンや酸素を排出する)輸送トンネル構造があり、周 囲には吸収した光エネルギーを PSII内部の特別な環境 に置かれたクロロフィル a二量体(反応中心 P680)に 集約するためのアンテナ系が高度に発達している 。輸 送トンネルの先には、酸素発生複合体(oxygen-evolving complex、OEC)と呼ばれる活性部位があり、水の分解・ 酸素発生反応(2H2O→ O2 + 4H + 4e)は OEC内のMn 酸化物クラスターの触媒作用によって起こる 。上で 述べたように、シアノバクテリアによる酸素発生を伴う This account describes a current summary of our computational studies intended to elucidate the mechanism underlying water oxidation by the tetranuclear Mn cluster in the oxygen-evolving complex of photosystem II, the most fundamental bioenergetic process required for the maintenance of life. We focus herein on several important findings about the relatively high oxidation (S2 and S3) states of the cluster that involve three or four Mn IV and one or no Mn ions. The presentation is designed to highlight how the cluster stores the oxidizing power, binds substrate water molecules, and activates them. We discuss the fundamental importance of the cooperative effects of multiple Jahn–Teller axes on Mn ions, which inevitably deform the cluster structure in such a direction as to promote substrate binding during S2 → S3 transition and O–O bond formation in the S3 state. Our interpretation is that the “distorted chair” topology of the cluster is the heart of efficient catalysis for oxygen evolution, and the presentation attempts to reflect this view.
自然界中几乎所有的生命活动都依赖于利用恒常获得的太阳能从大气中的二氧化碳生产生物可利用的有机物的光合作用。从生命和地球的共同进化的观点来看,光合作用值得一提的是,获得了藻类和绿色植物等进行很多光合作用的生物将地球上丰富存在的水作为电子的供给源的高度结构。作为副产物放出的大量氧气经过漫长的岁月积蓄在海中和大气中,形成了吸收对生物有害的紫外线的臭氧层。而且,通过生物获得对剧毒氧的耐受性和伴随大的能量变化的利用氧循环的呼吸功能利用太阳光这一无穷无尽的能源,建立了一种高效可持续的能源转换机制,可以使有限的碳在无机环境和生物界之间无限循环。氧的高氧化力导致了代谢、生物合成大量有机化合物的酶群分子进化和生理功能多样化,成为推动生物进化的原动力。考虑到光合作用是生物界唯一能够分解水产生氧的反应体系,理解其机理不仅具有学术意义在考虑解决伴随全球变暖和化石燃料枯竭的环境·能源问题上,这是极其重要的研究课题。从光合作用的初始过程光能到化学能量的转换是由光的吸收和激发引起的电荷分离以及随后的电子转移和ATP合成组成的大量反应的连锁。在一系列电子传递反应的氧化侧末端,负责供给光合作用所需电子的重要作用的是被称为光化学系II(Photosystem II,PSII)的膜蛋白复合体。因此,PSII具有以一定位置和取向固定的电子传递因子和将散装的水分子导入蛋白质内部(或排出质子或氧)的输送隧道结构在周围,用于将吸收的光能集中到放置在PSII内部的特别环境中的叶绿素a二聚体(反应中心P680)的天线系统高度发达。在输送通道的前方,有被称为氧发生复合体(oxygen-evolving complex,OEC)的活性部位,水的分解·氧发生反应(2H2O→O2+4H+4e)通过OEC内的Mn氧化物簇的催化作用而发生。如上所述,由于唾液细菌产生氧气,This account describes a current summary of our computational studies intended to elucidate the mechanism underlying water oxidation by the tetranuclear Mn cluster in the oxygen-evolving complex of photosystem II,the most fundamental bioenergetic process requireed for the mainanance of。We focus herein on several important findings about the relatively high oxidation(S2and S3)states of the cluster that involve three or four Mn IV and one or no Mn ions。The presentation is designed to highlight how the cluster stores the oxidizing power,binds substrate water molecules,and activates them。We discuss the fundamental importance of the cooperative effects of multiple Jahn–Teller axes on Mn ions,which inevitable deform the cluster structure in such a direction as to promote substrate binding during S2→S3transition and O-O bond formation in the S3state。Our interpretation is that the“distorted chair”topology of the cluster is the heart of efficient catalysis for oxygen evolution,and the presentation attempts to reflect this view。
{"title":"Functional significance of the “distorted chair” topology of the Mn cluster for oxygen evolution in photosynthesis","authors":"H. Isobe","doi":"10.4019/BJSCC.70.2","DOIUrl":"https://doi.org/10.4019/BJSCC.70.2","url":null,"abstract":"自然界におけるほとんどすべての生命活動は、恒常的 に得られる太陽光エネルギーを利用して大気中の二酸化 炭素から生物が利用可能な有機物を生産する光合成に依 存している。光合成を生命と地球の共進化の視点から眺 めて特筆すべき点は、藻類や緑色植物など多くの光合成 を行う生物が地球上に豊富に存在する水を電子の供給源 として用いる高度な仕組みを獲得したことである。副産 物として放出された大量の酸素は長い年月をかけて海中 や大気に蓄積され、生物に有害な紫外線を吸収するオゾ ン層が形成された。さらに、猛毒である酸素への耐性と 大きなエネルギー変化を伴う酸素循環を利用した呼吸機 能を生物が獲得することで、太陽光という無尽蔵のエネ ルギーを利用して有限な炭素を無機的環境と生物界の間 で無限に循環させることができる高効率で持続可能なエ ネルギー変換の仕組みが確立された。酸素の高い酸化力 は、膨大な数の有機化合物を代謝・生合成する酵素群の 分子進化と生理機能の多様化をもたらし、生物進化を推 進する原動力となった。光合成が生物界で水を分解して 酸素を発生させることができる唯一の反応系である事実 を考えれば、そのメカニズムを理解することは、学術的 意義に留まらず、地球温暖化や化石燃料枯渇に伴う環境・ エネルギー問題の解決を考える上で極めて重要な研究課 題になっていることは論を俟たない。 光合成の初期過程である光エネルギーから化学エネル ギーへの変換は、光の吸収と励起によって誘起される電 荷分離とそれに続く電子移動と ATP合成からなる膨大 な数の反応の連鎖である。一連の電子伝達反応の酸化側 末端で、光合成に必要な電子を供給する重要な役割を担 っているのが光化学系 II(Photosystem II、PSII)と呼ば れる膜タンパク質複合体である 。そのため、PSIIには 一定の位置と配向で固定された電子伝達コファクターと バルクの水分子をタンパク質内部に導く(あるいはプロ トンや酸素を排出する)輸送トンネル構造があり、周 囲には吸収した光エネルギーを PSII内部の特別な環境 に置かれたクロロフィル a二量体(反応中心 P680)に 集約するためのアンテナ系が高度に発達している 。輸 送トンネルの先には、酸素発生複合体(oxygen-evolving complex、OEC)と呼ばれる活性部位があり、水の分解・ 酸素発生反応(2H2O→ O2 + 4H + 4e)は OEC内のMn 酸化物クラスターの触媒作用によって起こる 。上で 述べたように、シアノバクテリアによる酸素発生を伴う This account describes a current summary of our computational studies intended to elucidate the mechanism underlying water oxidation by the tetranuclear Mn cluster in the oxygen-evolving complex of photosystem II, the most fundamental bioenergetic process required for the maintenance of life. We focus herein on several important findings about the relatively high oxidation (S2 and S3) states of the cluster that involve three or four Mn IV and one or no Mn ions. The presentation is designed to highlight how the cluster stores the oxidizing power, binds substrate water molecules, and activates them. We discuss the fundamental importance of the cooperative effects of multiple Jahn–Teller axes on Mn ions, which inevitably deform the cluster structure in such a direction as to promote substrate binding during S2 → S3 transition and O–O bond formation in the S3 state. Our interpretation is that the “distorted chair” topology of the cluster is the heart of efficient catalysis for oxygen evolution, and the presentation attempts to reflect this view.","PeriodicalId":72479,"journal":{"name":"Bulletin of Japan Society of Coordination Chemistry","volume":"70 1","pages":"2-13"},"PeriodicalIF":0.0,"publicationDate":"2017-11-30","publicationTypes":"Journal Article","fieldsOfStudy":null,"isOpenAccess":false,"openAccessPdf":"https://sci-hub-pdf.com/10.4019/BJSCC.70.2","citationCount":null,"resultStr":null,"platform":"Semanticscholar","paperid":"46158614","PeriodicalName":null,"FirstCategoryId":null,"ListUrlMain":null,"RegionNum":0,"RegionCategory":"","ArticlePicture":[],"TitleCN":null,"AbstractTextCN":null,"PMCID":"","EPubDate":null,"PubModel":null,"JCR":null,"JCRName":null,"Score":null,"Total":0}
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Metal-Based Molecular Functional Materials - From Discrete Metal Complexes to Supramolecular Assembly, Nanostructures and Functions 金属基分子功能材料——从离散金属配合物到超分子组装、纳米结构和功能
Pub Date : 2017-05-31 DOI: 10.4019/BJSCC.69.21
V. Yam
The continuous search for smart and advanced materials with enhanced photofunctional features has attracted a world-wide interest and resulted in great efforts towards the investigations and developments of molecular-based functional materials. It has been known that the chemical and physical properties of various organic moieties can be influenced by and correlated to their molecular structures. As a result of this, the coordination chemistry of transition metal complexes, through the utilization of various transition metal centers and their incorporation into the organic moieties with diverse combinations, has been found to give rise to superior advantages of greater versatility of molecular design and thus leading to more in-depth understanding for the exploration of photofunctional materials with tunable photophysical and excited state properties. In the past few decades, the photophysics and photochemistry of transition metal complexes have drawn inter-disciplinary attention and resulted in significant impact towards materials and energy research, especially with the detailed investigations on the class of ruthenium(II) polypyridine complexes with the characteristic metal-to-ligand charge transfer (MLCT) excited state, arising from their rich photoredox and photoluminescence properties and good stability. These have provided insights into the exploration of molecular-based functional materials with concepts of supramolecular photochemistry. In addition to the ruthenium(II) polypyridine system, researchers also investigated the photophysics and photochemistry of iridium(III) system because of their synthetic versatility, high photoand thermal stabilities with tunable emission color and thus can be applied as triplet emitters and phosphorescent dopants in organic light emitting devices (OLEDs). In addition, lots of efforts have also been devoted into the exploration of new classes of luminescent transition metalligand chromophores and their application in materials chemistry and science by understanding and rationalization of their excited state properties. By the utilization of ligands with versatile structural and electronic properties, the excited state properties of transition metal complexes can be fine-tuned and controlled. For example, the incorporation of strong s-donating ligands has been found to cause drastic luminescence enhancement of some classes of transition metal complexes because of the destabilization of non-emissive d–d ligand field excited states. Compared to the d ruthenium(II) and iridium(III) complexes with octahedral geometry, the square-planar d transition metal complexes with coordinationunsaturated nature has been found to exhibit intriguing spectroscopic and luminescence properties due to their unique tendency to form non-covalent metal···metal interactions. Platinum(II) complexes have been extensively explored in previous years due to their intriguing chromphoric and aggregation properties. The introduction of sup
对具有增强的光功能特性的智能和先进材料的不断探索引起了全世界的兴趣,并为分子基功能材料的研究和开发做出了巨大努力。众所周知,各种有机部分的化学和物理性质可能受到其分子结构的影响并与其相关。因此,过渡金属配合物的配位化学,通过利用各种过渡金属中心及其以不同组合结合到有机部分中,已经发现其具有更大的分子设计通用性的优越优势,从而使人们对探索具有可调光物理和激发态性质的光功能材料有了更深入的理解。在过去的几十年里,过渡金属配合物的光物理和光化学引起了跨学科的关注,并对材料和能源研究产生了重大影响,特别是对具有特征金属-配体电荷转移(MLCT)激发态的钌(II)多吡啶配合物的详细研究,这源于它们丰富的光氧化还原和光致发光特性以及良好的稳定性。这些为探索具有超分子光化学概念的分子基功能材料提供了见解。除了钌(II)多吡啶系统外,研究人员还研究了铱(III)系统的光物理和光化学,因为它们的合成通用性、高光和热稳定性以及可调的发射颜色,因此可以用作有机发光器件(OLED)中的三重发射体和磷光掺杂剂。此外,通过对新型发光过渡金属发色团激发态性质的理解和合理化,人们也致力于探索它们在材料化学和科学中的应用。通过利用具有多种结构和电子性质的配体,可以微调和控制过渡金属配合物的激发态性质。例如,由于非发射性d–d配体场激发态的不稳定,已发现引入强的s供体配体会导致某些类型的过渡金属配合物的剧烈发光增强。与具有八面体几何结构的d钌(II)和铱(III)配合物相比,具有配位不饱和性质的正方形平面d过渡金属配合物由于其形成非共价金属··金属相互作用的独特倾向而表现出有趣的光谱和发光特性。铂(II)配合物由于其有趣的显色性和聚集性,在前几年得到了广泛的探索。引入涉及非共价相互作用的超分子组装组件可能会带来无限可能性和机会的其他维度。在这篇综述中,将讨论这类配合物在超分子组装和各种功能中的应用。实例包括在离子结合、溶剂诱导的聚集、核酸诱导的聚集响应性材料和光捕获分子装置中的应用。这类配合物的独特特征也可以归因于它们的多功能发射激发态,这些激发态受到局部环境细微变化的强烈影响。基于金属的分子功能材料从离散金属配合物到超分子组装、纳米结构和功能分子功能材料研究所(香港大学教育资助委员会卓越领域计划)和香港大学化学系Vivian Wing-Wah Yam*于2017年3月27日收到;电子邮件:wwyam@hku.hk
{"title":"Metal-Based Molecular Functional Materials - From Discrete Metal Complexes to Supramolecular Assembly, Nanostructures and Functions","authors":"V. Yam","doi":"10.4019/BJSCC.69.21","DOIUrl":"https://doi.org/10.4019/BJSCC.69.21","url":null,"abstract":"The continuous search for smart and advanced materials with enhanced photofunctional features has attracted a world-wide interest and resulted in great efforts towards the investigations and developments of molecular-based functional materials. It has been known that the chemical and physical properties of various organic moieties can be influenced by and correlated to their molecular structures. As a result of this, the coordination chemistry of transition metal complexes, through the utilization of various transition metal centers and their incorporation into the organic moieties with diverse combinations, has been found to give rise to superior advantages of greater versatility of molecular design and thus leading to more in-depth understanding for the exploration of photofunctional materials with tunable photophysical and excited state properties. In the past few decades, the photophysics and photochemistry of transition metal complexes have drawn inter-disciplinary attention and resulted in significant impact towards materials and energy research, especially with the detailed investigations on the class of ruthenium(II) polypyridine complexes with the characteristic metal-to-ligand charge transfer (MLCT) excited state, arising from their rich photoredox and photoluminescence properties and good stability. These have provided insights into the exploration of molecular-based functional materials with concepts of supramolecular photochemistry. In addition to the ruthenium(II) polypyridine system, researchers also investigated the photophysics and photochemistry of iridium(III) system because of their synthetic versatility, high photoand thermal stabilities with tunable emission color and thus can be applied as triplet emitters and phosphorescent dopants in organic light emitting devices (OLEDs). In addition, lots of efforts have also been devoted into the exploration of new classes of luminescent transition metalligand chromophores and their application in materials chemistry and science by understanding and rationalization of their excited state properties. By the utilization of ligands with versatile structural and electronic properties, the excited state properties of transition metal complexes can be fine-tuned and controlled. For example, the incorporation of strong s-donating ligands has been found to cause drastic luminescence enhancement of some classes of transition metal complexes because of the destabilization of non-emissive d–d ligand field excited states. Compared to the d ruthenium(II) and iridium(III) complexes with octahedral geometry, the square-planar d transition metal complexes with coordinationunsaturated nature has been found to exhibit intriguing spectroscopic and luminescence properties due to their unique tendency to form non-covalent metal···metal interactions. Platinum(II) complexes have been extensively explored in previous years due to their intriguing chromphoric and aggregation properties. The introduction of sup","PeriodicalId":72479,"journal":{"name":"Bulletin of Japan Society of Coordination Chemistry","volume":"69 1","pages":"21-28"},"PeriodicalIF":0.0,"publicationDate":"2017-05-31","publicationTypes":"Journal Article","fieldsOfStudy":null,"isOpenAccess":false,"openAccessPdf":"https://sci-hub-pdf.com/10.4019/BJSCC.69.21","citationCount":null,"resultStr":null,"platform":"Semanticscholar","paperid":"48024436","PeriodicalName":null,"FirstCategoryId":null,"ListUrlMain":null,"RegionNum":0,"RegionCategory":"","ArticlePicture":[],"TitleCN":null,"AbstractTextCN":null,"PMCID":"","EPubDate":null,"PubModel":null,"JCR":null,"JCRName":null,"Score":null,"Total":0}
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Functional Organization of Bioorganometallic Complexes Composed of Nucleobases 由核碱基组成的生物有机金属配合物的功能组织
Pub Date : 2017-01-01 DOI: 10.4019/BJSCC.70.22
T. Moriuchi
In this account, recent advances in the design of bioorganometallic complexes by the conjugation of organometallic complexes with nucleobases are focused on to exhibit specific properties based on functional organization. A guanosine-based Au(I) bioorganometallic complex is demonstrated to serve as the reliable G-octamer scaffold via self-organization, showing a switchable emission based on aurophilic Au(I)-Au(I) interaction. The formation of the empty quartet, octamer, and polymeric columnar aggregate is able to be controlled by the amount of potassium ion. The tuning of the emission properties of the bioorganometallic platinum(II) complexes bearing a uracil moiety is also achieved by changing the direction of hydrogen bonding sites and the molecular scaffold having complementary hydrogen bonding sites for the uracil moiety. The semirigid bridging diphosphine ligand is performed to be a key factor in the arrangement of the phosphorus atoms on the same side to induce intramolecular Au(I)-Au(I) interaction, wherein R - and S -enantiomers based on Au(I)-Au(I) axis exist. It is noteworthy that the chirality of Au(I)-Au(I) axis is induced by the utilization of ( R )-BINAP as the axially chiral bridging diphosphine ligand. Another interesting feature of bioorganometallic complexes is their strong tendency to self-assemble through intermolecular hydrogen bonds between their nucleobase moieties.
在这篇文章中,通过有机金属配合物与核碱基的偶联来设计生物有机金属配合物的最新进展集中在展示基于功能组织的特定性质上。以鸟苷为基础的Au(I)生物有机金属配合物通过自组织作为可靠的g -八聚体支架,显示出基于亲水性Au(I)-Au(I)相互作用的可切换发射。空四重奏、八聚体和聚合柱状聚集体的形成可以由钾离子的量控制。携带尿嘧啶片段的生物有机金属铂(II)配合物的发射特性的调整也通过改变氢键位点和具有尿嘧啶片段互补氢键位点的分子支架的方向来实现。半刚性桥接二膦配体被认为是磷原子在同侧排列以诱导Au(I)-Au(I)相互作用的关键因素,其中存在基于Au(I)-Au(I)轴的R -和S -对映体。值得注意的是,Au(I)-Au(I)轴的手性是由(R)-BINAP作为轴向手性桥接二膦配体引起的。生物有机金属配合物的另一个有趣的特点是它们通过核碱基部分之间的分子间氢键进行自组装的强烈倾向。
{"title":"Functional Organization of Bioorganometallic Complexes Composed of Nucleobases","authors":"T. Moriuchi","doi":"10.4019/BJSCC.70.22","DOIUrl":"https://doi.org/10.4019/BJSCC.70.22","url":null,"abstract":"In this account, recent advances in the design of bioorganometallic complexes by the conjugation of organometallic complexes with nucleobases are focused on to exhibit specific properties based on functional organization. A guanosine-based Au(I) bioorganometallic complex is demonstrated to serve as the reliable G-octamer scaffold via self-organization, showing a switchable emission based on aurophilic Au(I)-Au(I) interaction. The formation of the empty quartet, octamer, and polymeric columnar aggregate is able to be controlled by the amount of potassium ion. The tuning of the emission properties of the bioorganometallic platinum(II) complexes bearing a uracil moiety is also achieved by changing the direction of hydrogen bonding sites and the molecular scaffold having complementary hydrogen bonding sites for the uracil moiety. The semirigid bridging diphosphine ligand is performed to be a key factor in the arrangement of the phosphorus atoms on the same side to induce intramolecular Au(I)-Au(I) interaction, wherein R - and S -enantiomers based on Au(I)-Au(I) axis exist. It is noteworthy that the chirality of Au(I)-Au(I) axis is induced by the utilization of ( R )-BINAP as the axially chiral bridging diphosphine ligand. Another interesting feature of bioorganometallic complexes is their strong tendency to self-assemble through intermolecular hydrogen bonds between their nucleobase moieties.","PeriodicalId":72479,"journal":{"name":"Bulletin of Japan Society of Coordination Chemistry","volume":"70 1","pages":"22-31"},"PeriodicalIF":0.0,"publicationDate":"2017-01-01","publicationTypes":"Journal Article","fieldsOfStudy":null,"isOpenAccess":false,"openAccessPdf":"https://sci-hub-pdf.com/10.4019/BJSCC.70.22","citationCount":null,"resultStr":null,"platform":"Semanticscholar","paperid":"70514830","PeriodicalName":null,"FirstCategoryId":null,"ListUrlMain":null,"RegionNum":0,"RegionCategory":"","ArticlePicture":[],"TitleCN":null,"AbstractTextCN":null,"PMCID":"","EPubDate":null,"PubModel":null,"JCR":null,"JCRName":null,"Score":null,"Total":0}
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Bulletin of Japan Society of Coordination Chemistry
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