Theory suggests that many chemical reactions (not simply, as is often thought, redox reactions) might be catalysed by an applied electric field; experimental evidence for this is now provided from single-molecule studies of the formation of carbon–carbon bonds in a Diels–Alder reaction. Theory suggests that many chemical reactions — not simply, as is often thought, redox reactions — might be catalysed by an applied electrical field. Experimental evidence for this is now provided from single-molecule studies of the formation of carbon–carbon bonds in a Diels–Alder reaction. In a series of scanning tunnelling microscopy break-junction experiments, the authors observe a fivefold increase in the frequency of single-molecule junction formation when the electrical field is present and aligned in the direction to favour electron flow from the dienophile to the diene. The demonstration that it is possible to manipulate chemical reactions with electric fields offers proof-of-principle for a novel approach to heterogeneous catalysis. It is often thought that the ability to control reaction rates with an applied electrical potential gradient is unique to redox systems. However, recent theoretical studies suggest that oriented electric fields could affect the outcomes of a range of chemical reactions, regardless of whether a redox system is involved1,2,3,4. This possibility arises because many formally covalent species can be stabilized via minor charge-separated resonance contributors. When an applied electric field is aligned in such a way as to electrostatically stabilize one of these minor forms, the degree of resonance increases, resulting in the overall stabilization of the molecule or transition state. This means that it should be possible to manipulate the kinetics and thermodynamics of non-redox processes using an external electric field, as long as the orientation of the approaching reactants with respect to the field stimulus can be controlled. Here, we provide experimental evidence that the formation of carbon–carbon bonds is accelerated by an electric field. We have designed a surface model system to probe the Diels–Alder reaction, and coupled it with a scanning tunnelling microscopy break-junction approach5,6,7. This technique, performed at the single-molecule level, is perfectly suited to deliver an electric-field stimulus across approaching reactants. We find a fivefold increase in the frequency of formation of single-molecule junctions, resulting from the reaction that occurs when the electric field is present and aligned so as to favour electron flow from the dienophile to the diene. Our results are qualitatively consistent with those predicted by quantum-chemical calculations in a theoretical model of this system, and herald a new approach to chemical catalysis.

Abstract In contrast with conventional single-molecule junctions, in which the current flows parallel to the long axis or plane of a molecule, we investigate the transport properties of M(II)-5,15-diphenylporphyrin (M-DPP) single-molecule junctions (M=Co, Ni, Cu, or Zn divalent metal ions), in which the current flows perpendicular to the plane of the porphyrin. Novel STM-based conductance measurements combined with quantum transport calculations demonstrate that current-perpendicular-to-the-plane (CPP) junctions have three-orders-of-magnitude higher electrical conductances than their current-in-plane (CIP) counterparts, ranging from 2.10 −2 G 0 for Ni-DPP up to 8.10 −2 G 0 for Zn-DPP. The metal ion in the center of the DPP skeletons is strongly coordinated with the nitrogens of the pyridyl coated electrodes, with a binding energy that is sensitive to the choice of metal ion. We find that the binding energies of Zn-DPP and Co-DPP are significantly higher than those of Ni-DPP and Cu-DPP. Therefore when combined with its higher conductance, we identify Zn-DPP as the favoured candidate for high-conductance CPP single-molecule devices.

Here we present room-temperature spin-dependent charge transport measurements in single-molecule junctions made of metalloporphyrin-based supramolecular assemblies. They display large conductance switching for magnetoresistance in a single-molecule junction. The magnetoresistance depends acutely on the probed electron pathway through the supramolecular wire: those involving the metal center showed marked magnetoresistance effects as opposed to those exclusively involving the porphyrin ring which present nearly complete absence of spin-dependent charge transport. The molecular junction magnetoresistance is highly anisotropic, being observable when the magnetization of the ferromagnetic junction electrode is oriented along the main molecular junction axis, and almost suppressed when it is perpendicular. The key ingredients for the above effect to manifest are the electronic structure of the paramagnetic metalloporphyrin, and the spinterface created at the molecule-electrode contact.

Abstract Here we present room‐temperature spin‐dependent charge transport measurements in single‐molecule junctions made of metalloporphyrin‐based supramolecular assemblies. They display large conductance switching for magnetoresistance in a single‐molecule junction. The magnetoresistance depends acutely on the probed electron pathway through the supramolecular wire: those involving the metal center showed marked magnetoresistance effects as opposed to those exclusively involving the porphyrin ring which present nearly complete absence of spin‐dependent charge transport. The molecular junction magnetoresistance is highly anisotropic, being observable when the magnetization of the ferromagnetic junction electrode is oriented along the main molecular junction axis, and almost suppressed when it is perpendicular. The key ingredients for the above effect to manifest are the electronic structure of the paramagnetic metalloporphyrin, and the spinterface created at the molecule–electrode contact.

Hypoxia (low-oxygen) is one of the most common characteristics of solid tumours. Exploiting tumour hypoxia to reductively activate Pt(IV) prodrugs has the potential to deliver toxic Pt(II) selectively and thus overcome the systemic toxicity issues of traditional Pt(II) therapies. However, our current understanding of the behaviour of Pt(IV) prodrugs in hypoxia is limited. Here, we evaluated and compared the aryl carbamate fluorogenic Pt(IV) complexes, CisNap and CarboNap, as well as the previously reported OxaliNap, as potential hypoxia-activated Pt(IV) (HAPt) prodrugs. Low intracellular oxygen concentrations (<0.1%) induced the greatest changes in the respective fluorescence emission channels. However, no correlation between reduction under hypoxic conditions and toxicity was observed, except in the case for CarboNap, which displayed significant hypoxia-dependent toxicity. Other aryl carbamate Pt(IV) derivatives (including non-fluorescent analogues) mirrored these observations, where carboplatin(IV) derivative CarboPhen displayed a hypoxia-selective cytotoxicity similar to that of CarboNap. These findings underscore the need to perform extensive structure activity relationship studies on the cytotoxicity of Pt(IV) complexes under normoxic and hypoxic conditions.

Multiheme cytochromes (MHCs) are the building blocks of highly conductive micrometre-long supramolecular wires found in so-called electrical bacteria. Recent studies have revealed that these proteins possess a long supramolecular array of closely packed