There is considerable interest in both catalysts for CO(2) conversion and understanding how CO(2) reacts with transition metal complexes. Here we develop a simple model for predicting the thermodynamic favorability of CO(2) insertion into Ir(III) hydrides. In general this reaction is unfavorable; however, we demonstrate that with a hydrogen bond donor in the secondary coordination sphere it is possible to isolate a formate product from this reaction. Furthermore, our CO(2) inserted product is one of the most active water-soluble catalysts reported to date for CO(2) hydrogenation.

Formic acid (FA) is an attractive compound for H2 storage. Currently, the most active catalysts for FA dehydrogenation use precious metals. Here, we report a homogeneous iron catalyst that, when used with a Lewis acid (LA) co-catalyst, gives approximately 1,000,000 turnovers for FA dehydrogenation. To date, this is the highest turnover number reported for a first-row transition metal catalyst. Preliminary studies suggest that the LA assists in the decarboxylation of a key iron formate intermediate and can also be used to enhance the reverse process of CO2 hydrogenation.

Acceptorless dehydrogenation of alcohols, an important organic transformation, was accomplished with well-defined and inexpensive iron-based catalysts supported by a cooperating PNP pincer ligand. Benzylic and aliphatic secondary alcohols were dehydrogenated to the corresponding ketones in good isolated yields upon release of dihydrogen. Primary alcohols were dehydrogenated to esters and lactones, respectively. Mixed primary/secondary diols were oxidized at the secondary alcohol moiety with good chemoselectivity. The mechanism of the reaction was investigated using both experiment and DFT calculations, and the crucial role of metal–ligand cooperativity in the reaction was elucidated. The iron complexes are also excellent catalysts for the hydrogenation of challenging ketone substrates at ambient temperature under mild H2 pressure, the reverse of secondary alcohol dehydrogenation.

Cross-coupling reactions, which were discovered almost 50 years ago, are widely used in both industry and academia. Even though cross-coupling reactions now represent mature technology, there is still a significant amount of research in this area that aims to improve the scope of these reactions, develop more efficient catalysts, and make reactions more practical. In this tutorial, a brief background to cross-coupling reactions is provided, and then the major advances in cross-coupling research over the last 20 years are described. These include the development of improved ligands and precatalysts for cross-coupling and the extension of cross-coupling reactions to a much wider range of electrophiles. For example, cross-coupling reactions are now common with sp3-hybridized electrophiles as well as ester, amide, ether, and aziridine substrates. For many of these more modern substrates, traditional palladium-based catalysts are less efficient than systems based on first-row transition metals such as nickel. Conventional cross-coupling reactions have also inspired the development of a range of related reactions, such as cross-electrophile and decarboxylative couplings as well as couplings based on metallaphotoredox chemistry. The development of these new reactions is probably at the same stage as traditional cross-coupling reactions 30 years ago, and this tutorial highlights how many of the same strategies used to improve cross-coupling reactions may also be applicable to making the new reactions more practical.

The environmental and societal consequences of the increasing levels of carbon dioxide in our atmosphere are among the most significant challenges society currently faces. Carbon dioxide utilization, in which carbon dioxide is either used directly or converted into more valuable products, is likely to be one component of a broad strategy to reduce carbon dioxide emissions, a challenge that will require both technological and policy changes. Catalysis is crucial to the successful conversion of carbon dioxide into value-added products. Here, we provide a review on chemical and biological systems for carbon dioxide conversion directed toward the readers of ACS Catalysis, which focuses on providing a general perspective on the field, rather than technical details. We discuss both challenges related to the conversion of carbon dioxide into specific products such as carbon monoxide, formic acid, methanol, methane, ethylene, fuels, carboxylic acids, and polymers as well as general challenges for the field. We also compare and contrast different methods for carbon dioxide conversion, for example homogeneous versus heterogeneous catalysis or photosynthetic versus nonphotosynthetic biological conversion, and highlight areas where one approach may have advantages over another. In a concluding section, we identify problems related to carbon dioxide conversion that will need to be addressed for technology to be both viable and reduce carbon dioxide emissions.

A new homogeneous iridium catalyst gives hydrogenation of quinolines under unprecedentedly mild conditions—as low as 1 atm of H2 and 25 °C. We report air- and moisture-stable iridium(I) NHC catalyst precursors that are active for reduction of a wide variety of quinolines having functionalities at the 2-, 6-, and 8- positions. A combined experimental and theoretical study has elucidated the mechanism of this reaction. DFT studies on a model Ir complex show that a conventional inner-sphere mechanism is disfavored relative to an unusual stepwise outer-sphere mechanism involving sequential proton and hydride transfer. All intermediates in this proposed mechanism have been isolated or spectroscopically characterized, including two new iridium(III) hydrides and a notable cationic iridium(III) dihydrogen dihydride complex. DFT calculations on full systems establish the coordination geometry of these iridium hydrides, while stoichiometric and catalytic experiments with the isolated complexes provide evidence for the mechanistic proposal. The proposed mechanism explains why the catalytic reaction is slower for unhindered substrates and why small changes in the ligand set drastically alter catalyst activity.

Iron/Lewis acid co-catalysts hydrogenate to CO₂to formate with unprecedented turnover for a first row transition metal catalyst.

ConspectusNew and sustainable energy vectors are required as a consequence of the environmental issues associated with the continued use of fossil fuels. H2 is a potential clean energy source, but as a result of problems associated with its storage and transport as a gas, chemical H2 storage (CHS), which involves the dehydrogenation of small molecules, is an attractive alternative. In principle, formic acid (FA, 4.4 wt % H2) and methanol (MeOH, 12.6 wt % H2) can be obtained renewably and are excellent prospective liquid CHS materials. In addition, MeOH has considerable potential both as a direct replacement for gasoline and as a fuel cell input. The current commercial syntheses of FA and MeOH, however, use nonrenewable feedstocks and will not facilitate the use of these molecules for CHS. An appealing option for the sustainable synthesis of both FA and MeOH, which could be implemented on a large scale, is the direct metal catalyzed hydrogenation of CO2. Furthermore, given that CO2 is a readily available, nontoxic and inexpensive source of carbon, it is expected that there will be economic and environmental benefits from using CO2 as a feedstock.One strategy to facilitate both the dehydrogenation of FA and MeOH and the hydrogenation of CO2 and H2 to FA and MeOH is to utilize a homogeneous transition metal catalyst. In particular, the development of catalysts based on first row transition metals, which are cheaper, and more abundant than their precious metal counterparts, is desirable. In this Account, we describe recent advances in the development of iron and cobalt systems for the hydrogenation of CO2 to FA and MeOH and the dehydrogenation of FA and MeOH and provide a brief comparison between precious metal and base metal systems. We highlight the different ligands that have been used to stabilize first row transition metal catalysts and discuss the use of additives to promote catalytic activity. In particular, the Account focuses on the crucial role that alkali metal Lewis acid cocatalysts can play in promoting increased activity and catalyst stability for first row transition metal systems. We relate these effects to the nature of the elementary steps in the catalytic cycle and describe how the Lewis acids stabilize the crucial transition states. For all four transformations, we discuss in detail the currently proposed catalytic pathways, and throughout the Account we identify mechanistic similarities among catalysts for the four processes. The limitations of current catalytic systems are detailed, and suggestions are provided on the improvements that are likely required to develop catalysts that are more stable, active, and practical.

Hydrogen is an attractive alternative energy vector to fossil fuels if effective methods for its storage and release can be developed. In particular, methanol, with a gravimetric hydrogen content of 12.6%, is a promising target for chemical hydrogen storage. To date, there are relatively few homogeneous transition metal compounds that catalyze the aqueous phase dehydrogenation of methanol to release hydrogen and carbon dioxide. In general, these catalysts utilize expensive precious metals and require a strong base. This paper shows that a pincer-supported Fe compound and a co-catalytic amount of a Lewis acid are capable of catalyzing base-free aqueous phase methanol dehydrogenation with turnover numbers up to 51 000. This is the highest turnover number reported for either a first-row transition metal or a base-free system. Additionally, this paper describes preliminary mechanistic experiments to understand the reaction pathway and propose a stepwise process, which requires metal–ligand cooperativity. This pathway is supported by DFT calculations and explains the role of the Lewis acid co-catalyst.