Three synthetic mimics of the di-iron centre in [FeFe]-hydrogenases are loaded onto the HydF protein and then transferred to apo-HydA1; full activation of HydA1 was achieved only with the HydF hybrid protein that contained the mimic with an azadithiolate bridge, confirming the presence of this ligand in the active site of native [FeFe]-hydrogenases. [FeFe]-hydrogenases are metalloenzymes involved in microbial energy metabolism in various bacteria and algae, capable of extremes of catalytic performance that would be extremely useful if translated into a means of producing and using hydrogen in fuel cells. In these enzymes catalysis occurs at a unique di-iron centre containing a bridging dithiolate ligand, three CO ligands and two CN− ligands. In this manuscript, the authors show that three synthetic mimics of this di-iron centre can be loaded onto the [FeFe]-hydrogenase maturation protein HydF and then transferred to the algal variant apo-HydA1. Full activation of HydA1 was achieved only with the HydF hybrid protein that contained the mimic with an azadithiolate bridge, confirming the presence of this ligand in the active site of native [FeFe]-hydrogenases. This is the first example of controlled metalloenzyme activation using the combination of a specific protein scaffold and active-site synthetic analogues. Hydrogenases are the most active molecular catalysts for hydrogen production and uptake1,2, and could therefore facilitate the development of new types of fuel cell3,4,5. In [FeFe]-hydrogenases, catalysis takes place at a unique di-iron centre (the [2Fe] subsite), which contains a bridging dithiolate ligand, three CO ligands and two CN– ligands6,7. Through a complex multienzymatic biosynthetic process, this [2Fe] subsite is first assembled on a maturation enzyme, HydF, and then delivered to the apo-hydrogenase for activation8. Synthetic chemistry has been used to prepare remarkably similar mimics of that subsite1, but it has failed to reproduce the natural enzymatic activities thus far. Here we show that three synthetic mimics (containing different bridging dithiolate ligands) can be loaded onto bacterial Thermotoga maritima HydF and then transferred to apo-HydA1, one of the hydrogenases of Chlamydomonas reinhardtii algae. Full activation of HydA1 was achieved only when using the HydF hybrid protein containing the mimic with an azadithiolate bridge, confirming the presence of this ligand in the active site of native [FeFe]-hydrogenases9,10. This is an example of controlled metalloenzyme activation using the combination of a specific protein scaffold and active-site synthetic analogues. This simple methodology provides both new mechanistic and structural insight into hydrogenase maturation and a unique tool for producing recombinant wild-type and variant [FeFe]-hydrogenases, with no requirement for the complete maturation machinery.

This review aims at presenting the principles of water-oxidation in photosystem II and of hydrogen production by the two major classes of hydrogenases in order to facilitate application for the design of artificial catalysts for solar fuel production.

In cells, di-iron hydrogenases require three maturases to facilitate proper assembly of metal clusters. Reconstitution experiments with synthetic cofactor mimics coupled with functional and spectroscopic characterization now show these helper proteins are not needed in vitro to form highly active H2-producing catalysts. Hydrogenases catalyze the formation of hydrogen. The cofactor ('H-cluster') of [FeFe]-hydrogenases consists of a [4Fe-4S] cluster bridged to a unique [2Fe] subcluster whose biosynthesis in vivo requires hydrogenase-specific maturases. Here we show that a chemical mimic of the [2Fe] subcluster can reconstitute apo-hydrogenase to full activity, independent of helper proteins. The assembled H-cluster is virtually indistinguishable from the native cofactor. This procedure will be a powerful tool for developing new artificial H2-producing catalysts.

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.

We developed a technique allowing the direct observation of photoinduced charge-transfer states (CTSs)-the weakly coupled electron-hole pairs preceding the completely separated charges in organic photovoltaic (OPV) blends. Quadrature detection of the electron spin echo (ESE) signal enables the observation of an out-of-phase ESE signal of CTS. The out-of-phase Electron-Electron Double Resonance (ELDOR) allows measuring electron-hole distance distributions within CTS and its temporal evolution in the microsecond range. The technique was applied to OPV bulk heterojunction blends of different donor polymers, including the benchmark polymer P3HT and the high-performance polymer PCDTBT, with the fullerene PC61BM acceptor. The corresponding electron-hole distance distributions were obtained using the Tikhonov regularization. It was found that not only the dipolar interaction but also the exchange interaction contributes to the formation of the out-of-phase ELDOR signal. By varying the delay time after photoexcitation, we observed CTSs at different stages of charge separation. The initial distribution of the electron-hole distances for different blends correlates with their photoelectric conversion efficiency, with shorter average thermalization distances found for the blends of PC61BM with the less efficient regiorandom polymer P3HT. Spin-selective recombination of the CTS was unambiguously demonstrated for the blend of regioregular P3HT with PC61BM. It produces characteristic features in the out-of-phase ELDOR trace for small "dipolar" evolution times. These data allow us to estimate the CTS recombination rate for a certain distance between the electron and the hole within the CTS. The proposed method can be used to probe CTS in a variety of OPV active layer materials.