A catalyst system for the preparation of biaryls containing four ortho substituents via Suzuki coupling is described. The combination of a catalytic quantity of Pd2(dba)3 with either an electron-rich biarylphosphine or DPEPhos is effective using a wide range of substrates. The X-ray crystal structure of (dba)Pd(2-(9-phenanthryl)phenyl-dicyclohexylphosphine), in which the Pd is coordinated to the 9,10-double bond of the phenanthryl group, is also reported.

The mechanism of cobalt(II) porphyrin-catalyzed benzylic C–H bond amination of ethylbenzene, toluene, and 1,2,3,4-tetrahydronaphthalene (tetralin) using a series of different organic azides [N3C(O)OMe, N3SO2Ph, N3C(O)Ph, and N3P(O)(OMe)2] as nitrene sources was studied by means of density functional theory (DFT) calculations and electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy. The DFT computational study revealed a stepwise radical process involving coordination of the azide to the metal center followed by elimination of dinitrogen to produce unusual "nitrene radical" intermediates (por)CoIII–N•Y (4) [Y = −C(O)OMe, −SO2Ph, −C(O)Ph, −P(O)(OMe)2]. Formation of these nitrene radical ligand complexes is exothermic, predicting that the nitrene radical ligand complexes should be detectable species in the absence of other reacting substrates. In good agreement with the DFT calculations, isotropic solution EPR signals with g values characteristic of ligand-based radicals were detected experimentally from (por)Co complexes in the presence of excess organic azide in benzene. They are best described as nitrene radical anion ligand complexes (por)CoIII–N•Y, which have their unpaired spin density located almost entirely on the nitrogen atom of the nitrene moiety. These key cobalt(III)–nitrene radical intermediates readily abstract a hydrogen atom from a benzylic position of the organic substrate to form the intermediate species 5, which are close-contact pairs of the thus-formed organic radicals R′• and the cobalt(III)–amido complexes (por)CoIII–NHY ({R′•···(por)CoIII–NHY}). These close-contact pairs readily collapse in a virtually barrierless fashion (via transition state TS3) to produce the cobalt(II)–amine complexes (por)CoII–NHYR′, which dissociate to afford the desired amine products NHYR′ (6) with regeneration of the (por)Co catalyst. Alternatively, the close-contact pairs {R′•···(por)CoIII–NHY} 5 may undergo β-hydrogen-atom abstraction from the benzylic radical R′• by (por)CoIII–NHY (via TS4) to form the corresponding olefin and (por)CoIII–NH2Y, which dissociates to give Y–NH2. This process for the formation of olefin and Y–NH2 byproducts is also essentially barrierless and should compete with the collapse of 5 via TS3 to form the desired amine product. Alternative processes leading to the formation of side products and the influence of different porphyrin ligands with varying electronic properties on the catalytic activity of the cobalt(II) complexes have also been investigated.

Single- and multiwalled carbon nanotubes have been covalently functionalized with free-base porphyrin. The quantity of porphyrin linked to the surface was determined from thermogravimetric and UV-vis analysis. A reversible protonation equilibrium between the attached porphyrin and the residual acid groups of the carbon nanotubes has been identified. Steady-state fluorescence emission spectrum of the solutions of porphyrin-linked carbon nanotubes shows that the porphyrins act as energy absorbing and electron transferring antennae, and the carbon nanotubes act as efficient electron acceptors. The porphyrin-linked carbon nanotubes show 95-100% emission quenching, indicating a fast photoinduced electron transfer.

The mechanism of cobalt(II)−porphyrin-mediated cyclopropanation of olefins with diazoesters was studied. The first step—reaction of cobalt(II)−porphyrin with ethyl diazoacetate (EDA)—was examined using EPR and ESI-MS techniques. EDA reacts with cobalt(II)−porphyrin to form a 1:1 Co(por)(CHCOOEt) adduct that exists as two isomers: the 'bridging carbene' C′ in which the 'carbene' is bound to the metal and the pyrrolic nitrogen of the porphyrin that has a d7 configuration on the metal, and the 'terminal carbene' C in which the 'carbene' behaves as a redox noninnocent ligand having a d6 cobalt center and the unpaired electron residing on the 'carbene' carbon atom. The subsequent reactivities of the thus formed 'cobalt carbene radical' with propene, styrene, and methyl acrylate were studied using DFT calculations. The calculations suggest that the formation of the carbene is the rate-limiting step for the unfunctionalized CoII(por) and that the cyclopropane ring formation proceeds via a stepwise radical process: Radical addition of the 'carbene radical' C to the C═C double bonds of the olefins results in formation of the γ-alkyl radical intermediates D. Species D then easily collapse in almost barrierless ring-closure reactions (TS3) to form the cyclopropanes. This radical mechanism readily explains the high activity of CoII(por) species in the cyclopropanation of electron-deficient olefins such as methyl acrylate.

New and conclusive evidence has been obtained for the existence of cobalt(III)-carbene radicals that have been previously proposed as the key intermediates in the underlying mechanism of metalloradical cyclopropanation by cobalt(II) complexes of porphyrins. In the absence of olefin substrates, reaction of [Co(TPP)] with ethyl styryldiazoacetate was found to generate the corresponding cobalt(III)-vinylcarbene radical that subsequently dimerizes via its γ-radical allylic resonance form to afford a dinuclear cobalt(III) porphyrin complex. X-ray structural analysis reveals a highly compact dimeric structure wherein the two metalloporphyrin units are arranged in a face-to-face fashion through a tetrasubstituted 1,5-hexadiene C(6)-bridge between the two Co(III) centers. The γ-radical allylic resonance form of the cobalt(III)-vinylcarbene radical intermediate could be effectively trapped by TEMPO via C-O bond formation to give a mononuclear cobalt(III) complex instead of the dimeric product. The allylic radical nature and related reactivity profile of the cobalt(III)-carbene radical, including its inability to abstract hydrogen atoms from toluene solvent, were established by DFT calculations.

To fully characterize the CoIII–'nitrene radical' species that are proposed as intermediates in nitrene transfer reactions mediated by cobalt(II) porphyrins, different combinations of cobalt(II) complexes of porphyrins and nitrene transfer reagents were combined, and the generated species were studied using EPR, UV–vis, IR, VCD, UHR-ESI-MS, and XANES/XAFS measurements. Reactions of cobalt(II) porphyrins 1P1 (P1 = meso-tetraphenylporphyrin (TPP)) and 1P2 (P2 = 3,5-DitBu-ChenPhyrin) with organic azides 2Ns (NsN3), 2Ts (TsN3), and 2Troc (TrocN3) led to the formation of mono-nitrene species 3P1Ns, 3P2Ts, and 3P2Troc, respectively, which are best described as [CoIII(por)(NR″•–)] nitrene radicals (imidyl radicals) resulting from single electron transfer from the cobalt(II) porphyrin to the 'nitrene' moiety (Ns: R″ = −SO2-p-C6H5NO2; Ts: R″ = −SO2C6H6; Troc: R″ = −C(O)OCH2CCl3). Remarkably, the reaction of 1P1 with N-nosyl iminoiodane (PhI═NNs) 4Ns led to the formation of a bis-nitrene species 5P1Ns. This species is best described as a triple-radical complex [(por•–)CoIII(NR″•–)2] containing three ligand-centered unpaired electrons: two nitrene radicals (NR″•–) and one oxidized porphyrin radical (por•–). Thus, the formation of the second nitrene radical involves another intramolecular one-electron transfer to the "nitrene" moiety, but now from the porphyrin ring instead of the metal center. Interestingly, this bis-nitrene species is observed only on reacting 4Ns with 1P1. Reaction of the more bulky 1P2 with 4Ns results again in formation of mainly mono-nitrene species 3P2Ns according to EPR and ESI-MS spectroscopic studies. The mono- and bis-nitrene species were initially expected to be five- and six-coordinate species, respectively, but XANES data revealed that both mono- and bis-nitrene species are six-coordinate Oh species. The nature of the sixth ligand bound to cobalt(III) in the mono-nitrene case remains elusive, but some plausible candidates are NH3, NH2–, NsNH–, and OH–; NsNH– being the most plausible. Conversion of mono-nitrene species 3P1Ns into bis-nitrene species 5P1Ns upon reaction with 4Ns was demonstrated. Solutions containing 3P1Ns and 5P1Ns proved to be still active in catalytic aziridination of styrene, consistent with their proposed key involvement in nitrene transfer reactions mediated by cobalt(II) porphyrins.

Donor-substituted diazo reagents, generated in situ from sulfonyl hydrazones in the presence of base, can serve as suitable radical precursors for Co(II)-based metalloradical catalysis (MRC). The cobalt(II) complex of D2-symmetric chiral porphyrin [Co(3,5-DitBu-Xu(2′-Naph)Phyrin)] is an efficient metalloradical catalyst that is capable of activating different N-arylsulfonyl hydrazones for asymmetric radical cyclopropanation of a broad range of alkenes, affording the corresponding cyclopropanes in high yields with effective control of both diastereo- and enantioselectivity. This Co(II)-based metalloradical system represents the first catalytic protocol that can effectively utilize donor-type diazo reagents for asymmetric olefin cyclopropanation.

Improved electrocatalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) are critical for the advancement of fuel cell technologies. Herein, we report a series of 11 soluble iron porphyrin ORR electrocatalysts that possess turnover frequencies (TOFs) from 3 s-1 to an unprecedented value of 2.2 × 106 s-1. These TOFs correlate with the ORR overpotential, which can be modulated by changing the E1/2 of the catalyst using different ancillary ligands, by changing the solvent and solution acidity, and by changing the catalyst's protonation state. The overpotential is well-defined for these homogeneous electrocatalysts by the E1/2 of the catalyst and the proton activity of the solution. This is the first such correlation for homogeneous ORR electrocatalysis, and it demonstrates that the remarkably fast TOFs are a consequence of high overpotential. The correlation with overpotential is surprising since the turnover limiting steps involve oxygen binding and protonation, as opposed to turnover limiting electron transfer commonly found in Tafel analysis of heterogeneous ORR materials. Computational studies show that the free energies for oxygen binding to the catalyst and for protonation of the superoxide complex are in general linearly related to the catalyst E1/2, and that this is the origin of the overpotential correlations. This analysis thus provides detailed understanding of the ORR barriers. The best catalysts involve partial decoupling of the influence of the second coordination sphere from the properties of the metal center, which is suggested as new molecular design strategy to avoid the limitations of the traditional scaling relationships for these catalysts.

ABSTRACT Many soluble proteins interact with membranes to perform important biological functions, including signal transduction, regulation, transport, trafficking and biogenesis. Despite their importance, these protein-membrane interactions are difficult to characterize due to their often-transient nature as well as phospholipids’ poor solubility in aqueous solution. Here, we employ nanodiscs – small, water-soluble patches of lipid bilayer encircled with amphipathic scaffold proteins – along with quantitative proteomics to identify lipid-binding proteins in S. cerevisiae . Using nanodiscs reconstituted with yeast total lipid extracts or only phosphatidylethanolamine (PE-nanodiscs), we capture several known membrane-interacting proteins, including the Rab GTPases Sec4 and Ypt1, which play key roles in vesicle trafficking. Utilizing PE-nanodiscs enriched with phosphatidic acid (PEPA-nanodiscs), we specifically capture a member of the Hsp40/J-protein family, Caj1, whose function has recently been linked to membrane protein quality control. We show that Caj1 interaction with liposomes containing PA is modulated by pH and PE lipids, and depends on two patches of positively charged residues near the C-terminus of the protein. The protein Caj1 is the first example of an Hsp40/J-domain protein with affinity for membranes and phosphatidic acid lipid specificity. These findings highlight the utility of the nanodisc system to identify and characterize protein-lipid interactions that may not be evident using other methods.