45
University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) photochemistry and Iron(III) catalyzed oxidations Unjaroen, Duenpen IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below. Document Version Publisher's PDF, also known as Version of record Publication date: 2017 Link to publication in University of Groningen/UMCG research database Citation for published version (APA): Unjaroen, D. (2017). Mechanisms in Ruthenium(II) photochemistry and Iron(III) catalyzed oxidations: Photochemical, Electrochemical and Spectroscopic studies. University of Groningen. Copyright Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Take-down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum. Download date: 20-04-2021

University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

  • Upload
    others

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

University of Groningen

Mechanisms in Ruthenium(II) photochemistry and Iron(III) catalyzed oxidationsUnjaroen, Duenpen

IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite fromit. Please check the document version below.

Document VersionPublisher's PDF, also known as Version of record

Publication date:2017

Link to publication in University of Groningen/UMCG research database

Citation for published version (APA):Unjaroen, D. (2017). Mechanisms in Ruthenium(II) photochemistry and Iron(III) catalyzed oxidations:Photochemical, Electrochemical and Spectroscopic studies. University of Groningen.

CopyrightOther than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of theauthor(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).

Take-down policyIf you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediatelyand investigate your claim.

Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons thenumber of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.

Download date: 20-04-2021

Page 2: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

CHAPTER 6

Mechanism of the oxidation of benzyl alcohols catalyzed by a µ-oxo-diiron(III)bis-phenolato polypyridyl complex The µ‐oxo‐diiron(III) polypyridyl complex [(L)Fe(µ‐O)Fe(L)](ClO4)2 (1) (where HL is 2‐(((di(pyridin‐2‐

yl)methyl)(pyridin‐2‐ylmethyl)amino)methyl)phenol),  in  which  each  of  the  Fe(III)  centers  is 

coordinated  to a phenolato  ligand, was applied over a decade ago  to  the selective oxidation of 

benzyl alcohols to aldehydes with H2O2. However, in this chapter shows clearly that under catalytic 

conditions with  excess  H2O2,  rapid  oxidation  (<  5  s)  and  loss  of  the  phenolato moiety  occurs 

resulting the formation of an N4 ligated Fe(III) complex. This complex forms a Fe(III)‐OOH species 

initially before conversion to a relatively stable oxo‐bridged dinuclear Fe(III) complex that does not 

bear a phenol moiety. The data show that although the phenolato moiety imparts interesting redox 

properties on complex 1 it plays no apparent role in oxidation catalysis with H2O2. 

 

 

 

D. Unjaroen, A. Draksharapu, S. K. Padamati, M. Swart, W. R. Browne, manuscript in preparation 

Page 3: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Chapter 6 

64 

6.1 Introduction The  redox chemistry of  transition metal complexes  is a central aspect  in mechanisms  for many 

homogeneous and enzymatic catalytic reactions, with progress  in both areas accelerated by the 

focus on understanding and modelling the active site of metalloenzymes.1 In addition to the redox 

chemistry of the metal centers in metalloenzymes, redox non‐innocent active organic moieties play 

an important role, not least the phenolato moiety, such as in the enzyme galactose oxidase (GO).2 

GO is a mononuclear copper enzyme that catalyzes the two‐electron oxidation of primary alcohols 

to their corresponding aldehydes, with subsequent reduction of dioxygen to H2O2. The structure of 

the catalytic site  in the  inactive form of GO shows that  it contains two  imidazole rings (histidine 

residues) and two phenol moieties provided by tyrosine residues, as well as an acetato ligand bound 

to the copper(II) ion.5a,3  

The formal oxidation state of the active form of GO has been assigned as copper(III), however, 

it  is better described  as  a  copper(II)‐phenoxyl  radical  considering  its  spectroscopic properties.6 

Phenolato containing enzymes have received, as a consequence, considerable attention in recent 

years in the context of non‐redox‐innocent ligands,4 as one‐electron oxidation of metal‐phenolato 

complexes can  result  in  the  formation of either a higher valent metal species  (Mn+1L‐) or  ligand 

radicals  (MnL), which can be viewed as electronic  isomers.5 Wieghardt et al.6  reported a stable 

Fe(III)‐phenoxyl radical complex as early as 1993 and the number of small molecule metal‐phenoxyl 

complexes have grown  to  include a variety of metals and  ligand  frameworks.7  Indeed,  in 1998, 

Wieghardt and Stack8 reported a functional model for GO that could oxidize alcohols to aldehydes 

with high yield and selectivity.  

Diiron complexes have been studied extensively towards modeling the activation of oxygen by 

nonheme iron enzymes, such as methane monooxygenase (MMO), ribonucleotide reductase, and 

fatty acid desaturases.9 In addition, several µ‐oxo‐diiron(III) complexes have also been reported as 

catalysts for the oxidation of organic substrates. Palaniandavar et al.,10 reported the oxidation of 

alkanes  to  alcohols with m‐chloroperbenzoic  acid  (m‐CPBA)  catalyzed by  a µ‐oxo‐bridged non‐

heme bis‐phenolate‐diiron(III) complex and Ligtenbarg et al.11 reported the synthesis and structural 

characterization  of  a  µ‐oxo‐diiron(III)bis‐phenolato  polypyridyl  complex  (1),  as  well  as 

demonstrating its activity in the oxidation of benzylic alcohols to aldehydes with H2O2 as terminal 

oxidant.  

This latter system (1) showed a notable time dependence for the oxidation of benzyl alcohol and 

in particular,  the duration of an  initial  lag period was  found to correspond to the  loss of visible 

absorption  (assigned  to  a  phenolate  to  iron(III)  LMCT‐ligand  to metal  charge  transfer  band). 

Furthermore, addition of a strong acid, i.e. CF3SO3H, resulted in a red shift in visible absorption and 

a complete elimination of  the  lag period ascribed  to breaking up of  the dinuclear complex  to a 

catalytically  active  mononuclear  species.11  These  data  it  was  proposed  that  break‐up  of  the 

dinuclear complex to a mono‐nuclear complex occurred upon addition of acid with dissociation of 

the phenolato moiety occurring prior to the onset of catalytic activity.  

Although phenolato based  ligands  impart additional flexibility to metal complexes  in terms of 

redox chemistry (i.e. non‐innocent redox active ligands), these data raise pertinent questions as to 

the role and indeed usefulness of such ligand fragments in oxidation catalysis.  

In this chapter, we explore the time dependent spectroscopies of complex 1 under the reaction 

conditions employed in benzyl alcohol oxidation. We demonstrate that the addition of acid does 

not,  in  fact,  lead  to  break‐up  of  the  dinuclear  structure  but  instead  facilitates  the  reversible 

oxidation of 1 by H2O2 to form formally Fe(III)Fe(IV) and Fe(IV)Fe(IV) species in which the phenolato 

Page 4: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 

65

moieties are better described as phenoxyl radicals. A side reaction  is observed  in which phenol‐

phenol  C−C  coupling  (at  the  para‐positions)  occurs  leading  to  the  formation  of  Fe(III)‐µ‐(4,4’‐

biphenol)‐Fe(III)  species,  manifested  in  the  transient  appearance  of  intense  near‐UV  and  vis 

absorption bands. UV‐vis and resonance Raman confirm that these species are identical to those 

observed to form upon electrochemical oxidation, which was reported recently by our group.12  

 Figure 1. Structures of complexes 1 and 2. 

Furthermore, we show that the lag phase observed earlier during the oxidation of alcohol is due to 

the  time  is  taken  for partial degradation of  the  ligand  to occur,  specifically  the  removal of  the 

phenolato moiety following its oxidation to a phenoxyl radical, in the presence of excess H2O2 and 

water.  Furthermore,  phenol  dimerization  through  radical  C−C  coupling  is  blocked  by  tertbutyl 

groups  in the analogous complex 2, addition of excess H2O2 and water results  in essentially the 

same spectroscopic changes. These data lead to the conclusion that in fact, the catalytically active 

species is generated as a result of ligand degradation to yield an N4 ligand based complex similar 

to  ([Fe(MeN3Py)(CH3CN)]2+  (where  MeN3Py  =  1,1‐di(pyridin‐2‐yl)‐N‐methyl‐N‐(pyridin‐2‐

ylmethyl)methanamine).13  Indeed,  time  resolved  spectroscopy  shows  that  such  species13b  form 

rapidly under reaction conditions. 

The  data  hold  considerable  implications  for  the  use  of  phenoxyl moieties  in  ligand  design 

strategies  in  homogeneous  oxidation  catalysis  and  highlight  the  challenge  in  disentangling  the 

complex spectroscopy of such systems to enable elucidation of the precise nature of the species 

responsible for catalytic oxidation. 

 

6.2 Results The dinuclear phenolato complexes 1 and 2 were available from chapter 5,12 and the single crystal 

X‐ray structure of 1 was reported earlier by Ligtenbarg et al.11 The complexes were characterized 

earlier  in  the  solid  state  by  FTIR,  Raman  spectroscopy  and  in  solution  by  1H NMR,  and UV‐vis 

absorption  spectroscopy,  ESI  mass,  cyclic  voltammetry,  UV‐vis  absorption,  Raman,  and 

spectroelectrochemistry.12 Briefly, the dinuclear structures of complexes 1 and 2 in the solid state 

are  retained upon dissolution  in dichloromethane,  acetone,  and  acetonitrile.  The µ‐oxo bridge 

between the Fe(III) centers is stabilized by strong antiferromagnetic coupling, which is manifested 

in broadened 1H NMR signals in the range of ‐5 to 40 ppm in CD3CN and in EPR silence (X‐band 77 

K).12 Both complexes show strong visible absorption  (nm4.1×103 M‐1 cm‐1) and more  intense 

near‐UV absorption bands assigned to ligand to metal charge transfer (LMCT) transitions involving 

both phenolato  to Fe(III)14 as well as pyridyl  to Fe(III)  charge  transfer, based on  the  resonance 

Raman spectra at exc 532 and 355 nm, and TDDFT.12 The absorption band at 343 nm is assigned to 

a  mixture  of  phenolato‐to‐Fe(III)  and  oxo‐to‐Fe(III)  charge‐transfer  transitions.15  Notably,  the 

absorption spectra in acetonitrile are not concentration dependent (between 3.9 µM and 1 mM), 

Page 5: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Chapter 6 

66 

in agreement with ESI mass data, which indicates that dissociation to a mononuclear species does 

not occur to a significant extent.12  

 

6.2.1 Protonation of 1 and 2. 

The UV‐vis absorption spectra of 1 and 2, both in acetonitrile and in acetone, undergo a substantial 

bathochromic shift upon addition of TfOH  (Figure 2). Earlier  these changes were  interpreted as 

evidence for the formation of mononuclear complexes through protonation of the ‐oxo bridge.11 However, several observations confirm that this is not the case. The absorption bands of 1 shift to 

347 nm, 410 nm, 605 nm  (shoulder) and 804 nm  (Figure 2a,  red  line) upon  addition of TfOH, 

however,  the  extent  of  the  shift  is  less  pronounced  with  weaker  acids  such  as  acetic  and 

trichloroacetic acid (Figure 2c).  

 

Figure 2. UV‐vis absorption spectrum of (a) 1 in acetonitrile (black line), after addition of 1 equiv. of 

TfOH,  (red  line) and  subsequent addition of H2O  (0.36.6 vol%). (b) 2  in acetonitrile  (0.2 mM), 

addition of 1 equiv. of TfOH, and subsequently addition of water. (c) 1 in acetonitrile 0.25 mM with 

various acids (45 equiv. of triflic acid, 40 equiv. of trichloroacetic acid and 70 equiv. of acetic acid). 

 

Furthermore, successive addition of acid equivalents leads to changes in the absorption spectrum 

without maintenance  of  isosbestic  points,  indicative  of multiple  protonation  steps.  Indeed  the 

resonance Raman spectrum of 1 under acidic conditions at 1064 nm is different to that at 785 nm 

in regard to the Raman shift of the phenol C−O stretch band, confirming the presence of several 

distinct but structurally similar species which exhibit different degrees of red shift of the  lowest 

absorption bands.  

   

Page 6: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 

67

OFeFe

N

NO

N

NNO

N

NN

2+

1

OFeFe

N

NOH

N

NNO

N

NN

3+

H1+

+H+O

FeFe

N

NOH

N

NNOH

N

NN

4+

H212+

+H+

 Scheme 1. Propose the protonation forms of 1. 

 

DFT calculationsi indicate that sequential protonation of phenolato oxygens is thermodynamically 

more favorable than protonation of the µ‐oxo bridge as well as the dissociation and protonation of 

a pyridyl moiety. Comparison of resonantly enhanced Raman spectra (at exc 785 nm and 1064 nm) 

of 1 with TfOH with the Raman spectrum of 1 at 1064 nm shows that the major differences are to 

the Fe‐O(phenol) and C−O(phenol) stretching modes in the 1400 cm‐1 and 600 cm‐1 regions, with 

most  other  (i.e. pyridyl) bands  remaining  relatively  unchanged by  addition  of  acid  (Figure  3b). 

Furthermore,  the  resonance  Raman  spectra  (exc  785  nm,  Figure  3a)  of  Hn1n+  are  essentially 

independent of  the acid used and  the  solvent  (acetone vs. acetonitrile) with minor differences 

centered around the phenolato C−O stretch and in the low (ca. 600 cm‐1) wavenumber region (785 

nm is resonant with the absorption spectra of several of the species formed). 

These data indicate that neither the conjugate base of the acids nor solvent, coordinate to the 

Fe(III) centers under acidic conditions. Analysis by Evan’s NMR method indicated that solutions of 

1 (µeff = 2.7 B.M.) undergo an increase in paramagnetic character in the presence of TfOH (µeff = 6.3 

B.M).  However,  the  formation  of mononuclear  species  is  unlikely  since,  as  for  1,  the  UV‐vis 

absorption spectra of Hn1n+ show negligible dependence on concentration between 4 µM and 1 

mM, and although addition of acid results in broadening of the signals in the 1H NMR spectrum of 

1 in acetonitrile‐d3 and in acetone‐d6 between ‐10 to 120 ppm (Appendix A 3.4), only a weak signal 

at  g  =  4.3  is  observed  by  X‐band  EPR  spectroscopy  at  77  K.  These  data  indicate  that  the 

antiferromagnetic coupling between the Fe(III) centers, and especially the spin state, is affected by 

protonation, but that dissociation to mononuclear iron(III) complexes to any significant extent can 

be excluded.  

 

i The DFT calculation was carried out by Prof. Marcel Swart, Universitat de Girona 

Page 7: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Chapter 6 

68 

 Figure 3. Raman spectra of 1 in acetonitrile with 1 equiv. of TfOH (a) exc 785 nm; 1 (9 mM, gray 

line) and with TfOH (blue line). (b) exc 1064 nm; saturated solution (black line) and 1 (1 mM) with 

TfOH (red line). *distortion due to imperfect subtraction of solvent spectral feature 

Although, addition of 1 equiv. of TfOH to 1 in acetonitrile results in a large red‐shift of the longest 

wavelength  absorption  band  from  540  nm  to  ca.  808  nm,  subsequent  addition  of  increasing 

amounts of water results in a progressive blue shift of the visible absorption bands of 1 (Figure 2a). 

The absence of an isosbestic point as the spectrum returns towards its original state confirms that 

several  species  are  formed  upon  protonation  and  is  consistent  with  the  difference  observed 

between the resonance Raman spectra recorded at 785 and 1064 nm (vide supra). The recovery of 

1 upon addition of water (vide supra), due to the levelling effect, is confirmed by the recovery of 

the  resonantly  enhanced  Raman  (exc  355  nm)  bands  of  1  at  411  cm‐1  and  431  cm‐1  which 

disappeared upon addition of acid, and reappeared upon addition of (6.6 vol%) water (Figure 4). 

The loss of these bands upon addition of acid despite the minimal change in absorbance at 355 nm 

indicates that protonation affects the moieties associated with these transitions, i.e. the phenolato 

groups. 

The base peak in ESI mass spectrum of 1 in CH3CN is at m/z 445 ([(L1)Fe(µ‐O)Fe(L1)]2+‐(ClO4)2).12 

Addition of TfOH results in the observation of only mononuclear species, with a base peak at m/z 

454 ([L1FeIII‐OH]+) and additional signals at m/z 227, 218, 586 assigned to [LFe(III)‐OH2]2+, [LFe]2+, 

and  [LFe‐OTf]+,  respectively.  The  observation  of  [LFe]2+  is  consistent with  the  presence  of  an 

unstable  dinuclear  complex  in  solution  and  hence  the  observation  of  ions  consistent  with 

mononuclear complexes does not, a priori, confirm their presence in solution as the major species. 

Notably a significant signal consistent with either low or high spin mononuclear Fe(III) complex is 

absent  in  the  EPR  spectrum  of  1  upon  addition  of  acid  and/or water.  As with  rR  and UV‐vis 

Page 8: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 

69

absorption spectroscopy, subsequent addition of 3 vol% water results in the reappearance of the 

signal at m/z 445.  

 Figure 4. rRaman spectra of 1 in acetonitrile (0.3 mM, black line) at exc 355 nm, with 1 equiv. of 

TfOH (red line) and after subsequent addition of water (6.6 vol%, gray line). 

 

6.2.2 Reaction of 1 with near stoichiometric H2O2 in the absence and presence of H2O and acid. 

Addition of between 0.5‐3.0 equiv. H2O2 (0.66 vol% in water) to 1 in CH3CN does not affect its UV‐

vis absorption spectrum, however, in the presence of TfOH (2 equiv.) the formation and subsequent 

decay of the intense absorption bands at  460 nm and ca. 850 nm is observed (Figure 5).   

 Figure 5. (a) UV‐vis absorption spectra of 1 in acetonitrile (black line) after addition of 2 equiv. of 

TfOH (red line) and 2 equiv. of H2O2 (in H2O, blue line), (b) time dependence of absorbance at 460 

nm and 850 nm. 

 

Addition of 0.5‐3.0 equiv. H2O2 (in CH3CN), resulted in similar changes, however, the band at 460 

nm appeared  immediately and with a much higher maximum absorbance, followed by  its decay 

concomitant with  the appearance of new bands at 780 nm and 850 nm  (which decayed more 

slowly). Addition of water together with H2O2 is necessary to observe the intense absorption band 

at 460 nm. However, if water is added in sufficient excess the equilibrium shifts from H1+ to 1 (c.f. 

leveling effect, Figure 6) and hence the rapid oxidation of 1 does not proceed.  

Page 9: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Chapter 6 

70 

 Figure 6. UV‐vis absorption spectra of 1 in acetonitrile (a) after addition of 2 equiv. of TfOH and 2 

equiv. of H2O2 (in CH3CN), (c) addition of water 10 µL after TfOH, (b) and (d) time dependence of 

absorption at selected wavelengths at 460 nm and 850 nm. 

 

The transient concentration of the intermediate species responsible for the bands at 460 nm and 

850 nm was maximized with 2 equiv. of TfOH, 0.3 vol% of water and 2 equiv. of H2O2 (Figure 7a). 

The decay of the band at 460 nm proceeds concomitant with the increase in absorbance at 780 nm 

and 850 nm (Figure 7b) with an isosbestic point maintained at 585 nm. The molar absorptivity of 

the band at 460 nm, assuming 40‐50% conversion (vide infra), is comparable to that expected for 

a phenoxyl  radical.  Importantly, however,  the  initial spectrum of 1  recovers subsequently upon 

addition of 6‐10 vol% water together with the reappearance of a base peak at m/z 445 in the ESI 

mass spectrum of the reaction mixture. The band at 460 nm reappears upon subsequent addition 

of a 2nd and 3rd equivalent of H2O2, although the maximum absorbance reached is less each time. 

Furthermore, the recovery of the absorption spectrum of 1 upon subsequent addition of water is 

incomplete.  

 

Page 10: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 

71

 Figure 7. (a) UV‐vis absorption spectra of 1 in acetonitrile (0.25 mM, black line) after addition of 2 

equiv. of TfOH  (red  line), 5 µl of H2O  (blue  line) and 2 equiv. of H2O2.  (b) Time dependence of 

absorbance at 460 nm and 850 nm following addition of 2 equiv. of H2O2 (at 2 s) to 1 in CH3CN (0.25 

mM), (b) Time dependence of Raman band intensities at  1617 cm‐1 (at exc 473 nm) and 1608 cm‐1 

(at exc 785 nm). 

Despite the appearance of absorption bands typical of phenoxyl radicals, the only signal observed 

by X‐band EPR  spectroscopy  (77 K) at any point  (i.e. with  samples  flash  frozen at  specific  time 

points) was a weak band at g = 4.3, which had appeared already upon addition of TfOH to 1 and 

was essentially unaffected by addition of water and H2O2 in CH3CN. Hence, all major species present 

are EPR silent at 77 K indicating that the phenoxyl radicals are spin coupled with the 3d‐electrons 

of the Fe(III) center (vide infra).   

The resonance Raman spectra of the phenoxyl radicals reported earlier show characteristic bands 

at 1500 cm‐1 and 1600 cm‐1, assigned to the 7a (C−O stretching) and 8a (C−C stretching) mode 

of  the phenoxyl  radical,  respectively.16 The  species  formed upon  reaction of 1 with H2O2 were 

characterized by time‐dependent resonance Raman spectroscopy at 473 and 785 nm. At exc 473 

nm, the Raman spectra show the appearance and subsequent disappearance of strongly resonance 

enhanced bands at 1481 cm‐1, 1555 cm‐1, and 1617 cm‐1 and at exc 785 nm, at 1264 cm‐1, 1344 cm‐

1, 1396 cm‐1, 1522 cm‐1  and 1608 cm‐1 (Figure 9). 

Page 11: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Chapter 6 

72 

 Figure 8. Raman spectra of 1 in acetonitrile (0.25 mM) at exc 1064 nm with 1 equiv. of TfOH (dark 

blue) and after 1 equiv. of H2O2. * Solvent bands. 

The time dependence of the change in intensity of the Raman bands at exc 473 nm and exc 785 

nm (w.r.t. solvent bands) tracks well the increase and decrease in absorbance at 460 nm and 850 

nm, respectively (Figure 7c). Notable, however, the time‐dependent Raman spectra show that the 

species absorbing at 460 nm reaches a maximum concentration  immediately followed by a slow 

decay, whereas the species absorbing at 850 nm reaches a maximum more slowly and then decays. 

The time dependence of the formation and decay of this latter species is less apparent from the 

absorbance at 850 nm due to overlap with the absorbance of H1+ which decreases concomitant 

with the increase in absorbance at 850 nm, and vice versa.  

Excitation at λexc 1064 nm is preresonant with both H1+ and the species generated by addition 

of H2O2 which absorbs at 850 nm (Figure 8). Bands characteristic of phenoxyl radical species are 

not observed but the band at 1330 cm‐1 corresponds to the addition and loss of H2O2. The changes 

observed in the Raman spectrum of 1 with TfOH and H2O2 indicate that at most 50% conversion is 

observed and that 1 recovers partially after the H2O2 is consumed. 

   

Page 12: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 

73

OFeFe

N

NO

N

NNO

N

NN

2+

1

OFeFe

N

NOH

N

NNO

N

NN

3+

H1+

+H+

O

Fe

Fe

N

NO

NN N

O

N NN

O

C-C coupled bis phenol complex

OFeFe

N

NOH

N

NNOH

N

NN

4+

H212+

+H+

+ H2O2

+ H2O

OFeFe

N

NO

N

NNO

N

NNH

3+

OOH

H

Scheme 2. Protonation of 1 and subsequent oxidation and C−C coupling of the phenolato moieties. 

 

6.2.3 Identification of species formed upon reaction of 1 with stoichiometric H2O2.  

Comparison of the Raman spectra at exc 473 nm and exc 785 nm during the reaction of 1 with a 

few equiv. of H2O2 with  the products of electrochemical and chemical  {[(NH4)2Ce(NO3)6]  (CAN)} 

oxidation of the same complex, reported earlier,12 allow for definitive assignment of the species 

formed. Oxidation of 1 with CAN,  i.e. without TfOH or water present,  results  in  the  immediate 

appearance  of  an  absorption  band  at  465  nm, which  decays  over  time  concomitant with  the 

appearance of bands at 780 nm and 850 nm. The changes  in  the absorption spectrum of 1 are 

essentially  the  same as  those observed upon addition of near  stoichiometric H2O2 under acidic 

conditions and, conclusively, the Raman spectra recorded at exc 473 nm and 785 nm are identical 

to those obtained with TfOH/H2O/H2O2 (Figure 9). 

Page 13: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Chapter 6 

74 

 Figure 9. Comparison the Raman spectra at (a) exc 437 nm and (b) exc 785 nm of 1 in acetonitrile 

after addition of 1 equiv. of TfOH and 1 equiv. of H2O2 (black line) to the spectra obtained12 upon 

addition of 1 equiv. of CAN to 1 in acetonitrile (red line).  

6.2.4 Reaction of 1 with excess H2O2 in the absence and presence of water and acid.  

The reaction of 1 in acetonitrile, with and without H2O, with 100 equiv. of H2O2 was monitored over 

time by UV‐vis absorption spectroscopy. A decrease in the absorbance of 1 at 535 nm was observed 

only after a lag phase of ca. 60 min, which is consistent with the observation made earlier that the 

onset of catalytic activity occurred concomitant with the change in color of the reaction mixture 

(after ca. 1.5 h) from purple to yellow. The disappearance of the visible absorption bands indicates 

loss of the phenolato moiety from the complex. In the present study, the lag phase was found to 

eliminated by addition of water (Figure 10), however, the rate of loss of absorbance was reduced 

also. 

 Figure 10. Time dependence of absorption at selected wavelengths at 535 nm after addition of 100 

equiv. of H2O2 into 1 in acetonitrile with (red line, 5 vol%) and without H2O (black line). 

Page 14: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 

75

Closer examination of the  initial changes that occur upon addition of 100 equiv. of H2O2 to 1  in 

acetonitrile with 1 equiv. of TfOH shows a transient increase in absorbance at 460 nm and 730 nm, 

both  appearing  and  decaying within  4  s.  Subsequently,  a  band  at  556  nm  appears  reaching  a 

maximum at 6 s and decaying again over 1.5 min to give a yellow solution (Figure 11a/b). A band at 

420 nm appeared over 1 to 2 h (vide infra). The intermediate species formed, which absorbs at 556 

nm, was characterized by Raman spectroscopy at λexc 532 nm. Addition of 100 equiv. of H2O2 to 1 

in acetonitrile with TfOH (1 equiv.) resulted in the appearance of bands at 801, and 624 cm−1 (Figure 

11d). The band at 802 cm−1 was assigned, tentatively, to an O−O stretch and the band at 624 cm−1 

to the Fe−O stretch of a [(R‐N3Py)Fe(III)(X)(OOH)]2+ species (where X = solvent, R = H).13b  

 Figure 11. UV‐vis absorption spectra of 1 in acetonitrile (0.25 mM) with 3 equiv. of TfOH  (red line) 

(a) upon addition of 100 equiv. of H2O2, (b) before (black) and after (red) addition of TfOH and after 

addition of 100 equiv. of H2O2; 2 min (gray), 1 h (green) and 2 h (yellow). (c) Time dependence of 

absorption at selected wavelengths at 420 and 556 nm after addition of 100 equiv. of H2O2. (d) 

rRaman spectra of 1 in acetonitrile at exc 532 nm with TfOH (black), after addition of 100 equiv. of 

H2O2; 4 s (blue), 8s (red) and 12s (yellow). 

 

Additionally, the yellow species that forms after decay of the band at 556 nm showed resonance 

enhanced Raman bands at exc 355 nm showed bands at 1612, 1569, 1275, 1158, 1057 and 1032 

cm‐1 that are  typical of pyridyl modes  (Figure 12). The bands at 1291, 1275 and 1210 cm‐1 are 

assigned to the alkyl amine backbone of the ligand and the band at 1004 cm‐1 is assigned to a phenyl 

ring mode by comparison to the resonance Raman spectrum of [FeII(N4Py)(CH3CN)](ClO4)2.17  

 

Page 15: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Chapter 6 

76 

 Figure 12. Raman spectrum of the yellow solution at exc 355 nm obtained 5 min after addition of 

100 equiv. of H2O2  to 1 with 3 equiv. TfOH  in acetonitrile. *Distortion due  to  imperfect solvent 

subtraction. 

Raman spectra recorded with a time resolution of 200 ms (Figure 13) enabled identification of the 

species responsible for the transient absorption at 730 nm. The spectrum of the  intermediate  is 

similar to those obtained with 1‐3 equiv. H2O2, i.e. consistent with a phenoxyl radical species, but 

there are clear differences that confirm that it is not the same species (vide supra). 

 Figure 13. (a) rRaman spectra of 1 in acetonitrile at exc 785 nm with 3 equiv. TfOH (a) before, and 

0.5 s (blue) and 2 s (red) after addition of 1000 equiv. of H2O2  and (b) time dependence of signal at 

1598 cm‐1 (intermediate, red) and at 870 cm‐1 (H2O2, black). 

6.2.5 Spectroscopy of 1 during the catalyzed oxidation of 1‐phenylethanol.  

Although the formation of phenxoyl radicals from 1 upon reaction with near stoichiometric H2O2 is 

evident, the relevance of such species under conditions used,11 i.e. with up to 100 equiv. of H2O2, 

in the oxidation of benzyl alcohols catalyzed by 1 is, a priori, uncertain. The catalytic oxidation of 1‐

phenylethanol  in  acetonitrile  under  the  conditions  reported  earlier  by  Ligtenbarg  et  al.11 was 

monitored by UV‐vis absorption and Raman spectroscopy  (Figure 14). Addition of 100 equiv. of 

H2O2 to 1 (0.88 mM) and 1‐phenylethanol (1000 equiv.) results in a decay of the absorption band 

at 540 nm within 1 h following a lag phase, the duration of which was increased compared to that 

observed  in  the  absence  of  substrate  (vide  supra).  Raman  spectroscopy  shows  that  the 

consumption of  substrate  and H2O2  commences only  after  the end of  the  lag period.  1H NMR 

spectra of the crude reaction in acetonitrile‐d3 showed acetophenone in ~4% yield (40% efficiency 

in oxidant).  

Page 16: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 

77

 Figure 14. (a) UV‐vis absorption of 1 in acetonitrile (0.88 mM) during catalyzed the oxidation of 1‐

phenylethanol (880 mM) with H2O2 (88 mM). (b) Time dependence of the absorbance at 540 nm. 

(c) Raman spectra (exc 785 nm) before and after 160 min and (d)  intensity of the bands due to 

phenyl‐1‐ethanol,  acetophenone  and  H2O2  over  time  (with  1,2‐dichlorobenzene  as  internal 

reference). 

The presence of 1 equiv of TfOH, prior to addition of H2O2 resulted in dramatic differences in the 

time dependence of the changes in both UV‐vis absorption and Raman spectra with rapid loss of 

the absorbance of H1+ at ca. 800 nm and the immediate appearance over 10 s of an intermediate 

(i.e. FeIII−OOH), which absorbs at 560 nm, followed by its subsequent decay more slowly that in the 

absence of substrate (Figure 15a/b). The X‐band EPR spectra (at 77 K) of 1 in acetonitrile with TfOH 

and 1‐phenylethanol after addition of 100 equiv. of H2O2 (i.e. at the point a maximum absorbance 

at 560 nm was reached) showed a relatively strong signal at g = 4.25, characteristic for a high‐spin 

iron(III) species together with a signals at g = 2.12 and 1.96 that are characteristic of a low‐spin (S 

= ½) FeIII−OOH species  (Figure 15c). After warming  the  intermediate FeIII−OOH species  to  room 

temperature and subsequently freezing to 77 K again, the signals of the S = ½ species disappeared 

together with the decrease in the intensity of the signal of high‐spin iron(III) species. The X‐band 

EPR  spectrum  of  the  yellow  species  that  formed  after  the  absorption  band  at  560  nm  had 

disappeared exhibited only a weak signal at g = 4.25, indicating that mononuclear high‐spin iron(III) 

species are  intermediates also  leading ultimately to  formation of anti‐ferromagnetically coupled 

dinuclear complexes.13b  

Page 17: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Chapter 6 

78 

 Figure 15. (a) UV‐vis absorption of 1  in acetonitrile (0.88 mM) with 1000 equiv. 1‐phenylethanol 

and  1  equiv.  of  TfOH  before  (thick  red  line)  and  after  addition  of  100  equiv.  H2O2.  (b)  Time 

dependence of absorbance at 560 nm.  (c) X‐band EPR spectra at 77 K of 1 in acetonitrile with TfOH 

and 1‐phenylethanol; 14 s after addition of 100 equiv. of H2O2 (blue),  after warm sample to room 

temperature (black), 5 min after addition of 100 equiv. of H2O2 (gray). 

6.2.6 Reaction of 2 with H2O2 and catalytic oxidation of 1‐phenylethanol. 

The structure of 2, and specifically the tert‐butyl groups, precludes oxidative C−C coupling of the 

phenols. Addition of 2 equiv. H2O2 has  little effect on the UV‐vis absorption spectrum of 2, even 

with TfOH, when excess water (0.33 vol%) was present (vide supra), however, with 100 equiv. H2O2 

a steady decrease  in visible absorbance  is observed. Under more acidic conditions (i.e. with  less 

water present) addition of 100 equiv. of H2O2 to 2 with 1 equiv of TfOH resulted in a rapid decrease 

in NIR absorbance within 8 s with a weaker absorption at ca. 550 nm appearing and persisting for 

ca. 20 s (Figure 16a/b).  

Page 18: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 

79

 Figure 16. (a) UV‐vis absorption spectrum of 2 (0.88 mM) in acetonitrile with 1 equiv. of TfOH (black) 

followed by addition of 100 equiv. of H2O2 (spectra are at 2 s intervals). (b) Absorbance at 750 and 

550 nm over time. (c) EPR spectra (77 K, X‐band) flash frozen at 0 s (black), 10 s (red), 40 s (blue) 

and 74 s (green).  (d) rRaman spectra at 0 s (red), 10 s (orange), 20 s (black), 30 s (blue) and  40 s 

(green) after addition of H2O2 (100 equiv.). 

EPR  and  Raman  spectroscopy  confirms  that  H2+  undergoes  rapid  oxidation  and  loss  of  the 

phenolato moiety  (the bands at 837, 602 and 568 cm‐1 disappear within 10  s)  followed by  the 

transient formation of an Fe(III)‐OOH species, manifested  in the characteristic bands at 801 and 

622 cm‐1 and a low spin (S = ½) EPR signal (Figure 16c/d). These changes coincide with the loss of 

H2O2  (867 cm‐1) over 1 min. The presence of substrate  (1‐phenylethanol)  in excess results  in an 

increase in the maximum concentration of the Fe(III)‐OOH species (max 550 nm) and its persistence 

over 15 min. 

The loss of the phenolato moiety in 2 is consistent with spectral changes observed for 1 under 

catalytic conditions. Resonance Raman spectroscopy at 785 nm confirms that in the presence of 

excess H2O2 and water, oxidation phenoxyl  radical  is  followed by a  rapid  loss, presumably by a 

nucleophillic attack of water and subsequent disociation of the phenolato unit, to leave an N3Py 

type  ligand.  Importantly,  the  C‐C  coupling  reaction  observed  with  1  upon  (electro)chemical 

oxidation and upon addition of stoichiometric amounts of H2O2, is not observed with excess H2O2. 

The complexes formed by loss of the phenoxyl units from 1 and 2 are therefore identical and, given 

that  it  forms within  a  few  seconds  of  addition  of H2O2  addition,  the  catalytic  activity  of  both 

complexes should be, and indeed appears to be, the same. 

   

Page 19: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Chapter 6 

80 

Scheme 3. Summary of processes observed  for 1  in solution upon oxidation with stoichiometric 

H2O2 and with excess H2O2. 

 

 

Page 20: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 

81

6.3 Summary The  oxidative  chemistry  of  1  and  2  is  summarized  in  Scheme  3.  Initially,  oxiation  either 

electrochemical or chemical (e.g., Ce(IV), R‐OOH, H2O2 etc.) results in the generation of phenoxyl 

radicals which undergo essentially instantaneous C−C coupling in the case of 1 and, in the case of 

both 1 and 2, nucelophillic attack by water. The C−C coupled product (3) undergoes oxidation even 

more  rapidly  that 1, due  to  its  lower oxidation potential  to  form 32+, and equivalent oligomeric 

species.  In the presence of excess H2O2, however, rapid cleavage of the phenoxyl unit  from the 

Fe(III)  bond  L1  takes  place  to  form  an  N3Py‐Fe(III)  complex,  analogous  to  catalytically  active 

complexes reported earlier.  Indeed under catalytic conditions,  this series of  reactions occurs so 

rapidly  (with  the mixing  time)  that  for 1, C−C  coupling  is not observed. The  role of acid  in  the 

chemistry of 1 was suggested earlier11 to break up the dinuclear structure of the complex, however, 

both  spectroscopic and DFT  studies  indicate  that  this  is not  the  case  and  instead  its  role  is  to 

facilitate oxidation with H2O2.  It  should be noted, however,  that  acid  is not  essential  and only 

accelerates an already spontaneous reaction, allowing  intermediates to be observed. Complex 2 

bears  tert‐butyl  groups  that  are  effective  in preventing C−C  coupling  and  reducing  the  rate of 

oxidation of  the phenolato moieties by H2O2, however, ultimately, phenolato centred oxidation 

occurs followed by loss of the phenolato moiety. 

 

6.4 Conclusions The  design  and  synthesis  of  bio‐inspired  homogeneous  catalysts  benefit  from  the  breadth  of 

reactivity presented by nature’s enzymes and its remarkable ability to couple the redox chemistry 

of metals with that of organic ligands – so called redox non‐innocent ligands. The porphyrin and 

phenolato based enzymes stand out in this regard, however, efforts to mimic such redox versatility 

are  hampered  by  the  lack  of  the  protective  protein  environment  of  the  enzyme  in  synthetic 

systems. In the present contribution, we have focused on the redox chemistry and spectroscopy of 

a phenolato based catalyst applied earlier by Feringa and coworkers  in benzyl‐alcohol oxidation 

with H2O2. We have  shown  that although  the complexes generate  spectroscopically  interesting 

species upon oxidation, and that the  initial oxidation  is essentially phenolato centered and only 

formally an Fe(III)/Fe(IV) redox couple. These species are at most side reactions or intermediates 

on the way towards loss of the phenolato unit and formation of the catalytically active species. In 

a broader context, the present study highlights the challenge faced in studying bioinspired catalysts 

bearing phenolato moieties and especially where these moieties are not only ‘redox non‐innocent’ 

in the classic sense but in fact the primary redox active groups. Furthermore, the use of tert‐butyl 

groups, although effective in preventing C−C coupling reactions, does not prevent reaction of the 

phenolato unit with small nucleophiles and oxidatively induced cleavage of the benzylic C−N bond. 

Hence,  future efforts  towards  ligand design  should  take  these aspects  into account  in order  to 

reliably harness the potential the redox active phenol units present in oxidation catalysis. 

 

6.5 Acknowledgements Prof. M. Swart (Universitat de Girona) is acknowledged for provision of DFT data.

Page 21: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Chapter 6 

82 

6.6 References and notes

(1)   Holm, R. H.; Kennepohl, P.; Solomon, E. I. Chem. Rev. 1996, 96, 2239−2314. 

(2)   (a) Whittaker, J. W. Chemical reviews 2003, 103, 2347−2364; (b) Stubbe, J.; van der Donk, W. A. Chem. 

Rev. 1998, 98, 705−762. 

(3)   Halfen, J. A.; Jazdzewski, B. A.; Mahapatra, S.; Berreau, L. M.; Wilkinson, E. C.; Que, L.; Tolman, W. B. J. 

Am. Chem. Soc. 1997, 119, 8217−8227. 

(4)   Butin, K. P.; Beloglazkina, E. K.; Zyk, N. V. Russ. Chem. Rev. 2005, 74, 531−553. 

(5)   (a) Shimazaki, Y. Adv. Mater. Phys. and Chem. 2013, 3, 60−71; (b) Lyons, C. T.; Stack, T. D., Coord. Chem. 

Rev.  2013,  257,  528−540;  (c)  Shimazaki,  Y.;  Yamauchi, O.,  Inorg.  Phys.  Theor.  and  Anal.  2011,  50, 

383−394. 

(6)   Hockertz, J.; Steenken, S.; Wieghardt, K.; Hildebrandt, P. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 11222−11230. 

(7)   Chaudhuri, P.; Wieghardt, K., Phenoxyl  radical complexes. Progress  in  Inorganic Chemistry 2001, 50, 

151−216. 

(8)   (a) Wang,  Y.; DuBois,  J.  L.; Hedman,  B.; Hodgson,  K. O.;  Stack,  T.  Science  1998,  279,  537−540;  (b) 

Chaudhuri, P.; Hess, M.; Flörke, U.; Wieghardt, K. Angew. Chem. Int. Ed. 1998, 37, 2217−2220. 

(9)   (a) Stoian, S. A.; Xue, G.; Bominaar, E. L.; Que, L., Jr.; Munck, E. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 1545−1558; 

(b) Xue, G.; Geng, C.; Ye, S.; Fiedler, A. T.; Neese, F.; Que, L., Jr. Inorg. Chem. 2013, 52, 3976‐3984; (c) 

Do, L. H.; Xue, G.; Que, L., Jr.; Lippard, S. J.  Inorg. Chem. 2012, 51, 2393−2402; (d) Cranswick, M. A.; 

Meier, K. K.; Shan, X.; Stubna, A.; Kaizer, J.; Mehn, M. P.; Munck, E.; Que, L., Jr. Inorg. Chem. 2012, 51, 

10417−10426; (e) De Hont, R. F.; Xue, G.; Hendrich, M. P.; Que, L., Jr.; Bominaar, E. L.; Munck, E. Inorg. 

Chem. 2010, 49, 8310−8322; (f) Stubna, A.; Jo, D.‐H.; Costas, M.; Brenessel, W. W.; Andres, H.; Bominaar, 

E. L.; Münck, E.; Que, L. Inorg. chem. 2004, 43, 3067−3079. 

(10)  Mayilmurugan, R.; Stoeckli‐Evans, H.; Suresh, E.; Palaniandavar, M., Dalton  trans. 2009,  26, 5101−5114. 

(11)  Ligtenbarg, A. G. J.; Oosting, P.; Roelfes, G.; Crois, R. M. L.; Hage, R.; Feringa, B. L.; Lutz, M.; Spek, A. L., 

Chem. Commum. 2001, 4, 385−386. 

(12)  Unjaroen, D.; Swart, M.; Browne. W. R. Inorg. Chem. 2017, 56, 470−479. (13)  (a) Klopstra, M.; Roelfes, G.; Hage, R.; Kellogg, R. M.; Feringa, B. L. Eur J Inorg Chem. 2004, 846−856. (b) 

Padamati, S. K.; Draksharapu, A.; Unjaroen, D.; Browne, W. R., Inorg. Chem. 2016, 55, 4211−4222. 

(14)  Ito, S.; Suzuki, M.; Kobayashi, T.; Itoh, H.; Harada, A.; Ohba, S.; Nishida, Y. J. Chem. Soc., Dalton Trans. 

1996, 12, 2579−2580. 

(15)  Yan, S.; Que, L.; Taylor, L. F.; Anderson, O. P. J. Am. Chem. Soc.  1988, 110, 5222−5224. 

(16)  (a) Schnepf, R.; Sokolowski, A.; Müller, J.; Bachler, V.;  Wieghardt, K.; Hildebrandt, P. J. Am. Chem. Soc. 

1998, 120, 2352−2364. (b) Itoh, S.; Kumei, H.; Nagatomo, S.; Kitagawa, T.; Fukuzumi S. J. Am. Chem. Soc. 

2001, 123, 2165−2175. (c) Lyons, C. T.; Stack, T. D. Coord. Chem. Rev. 2013, 257, 528−540. 

(17)  (a) Draksharapu, A.;  Li, Q.; Logtenberg, H.; van den Berg, T. A.; Meetsma, A.; Killeen, J. S.; Feringa, B. L.; 

Hage, R.; Roelfes, G.; Browne, W. R. Inorg. Chem. 2012, 51, 900–913. 

Page 22: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Appendix A

Synthesis and Characterization of Ligands and Complexes    

Page 23: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Appendix A 

84  

Commercially available chemicals were used as received without further purification, unless stated 

otherwise.  

 

Caution.  Perchlorate  salts  of  metal  complexes  incorporating  organic  ligands  are  potentially 

explosive.  These  compounds  should  be  prepared  in  small  quantities  and  handled  with  suitable 

protective safeguards. 

 

A. 1 Synthesis and characterization of Fe(II) complexes (chapter 2) 

 

Scheme A1. Synthesis of dppz ligand. 

 

1,10‐phenanthroline‐5,6‐dione (4). Ice‐cold mixtures of a concentrate of H2SO4 (30 mL) and HNO3 

(15 mL) were added to 1,10‐phenantroline (3.07 g, 17.05 mmol) and KBr (3.04 g, 25.59 mmol). The 

mixture was heated at reflux for 3 h. The hot yellow solution was poured over 500 mL of ice water 

and neutralized carefully with NaOH solution. The separated precipitated of 1,10‐phenanthroline‐

5,6‐dione was  filtrated off, washed with distilled water and dried. The  rest of  the product was 

extracted with CH2Cl2 (3×10 mL) from the water phase, and then the solvent was evaporated to 

give the yellow solid (1.50 g, 42%). 1H NMR (400 MHz, CDCl3):  9.07 (dd, J = 4.7 Hz, 1.8 Hz, 2H), 8.46 (dd, J = 7.9 Hz, 1.8 Hz, 2H), 7.56 (dd, J = 7.8 Hz, 4.7Hz, 2H). 13C NMR (125 MHz, CDCl3):  178.7, 156.4, 152.9, 137.3, 128.1, 125.6.  

 

Dipyrido[3,2‐a:2',3'‐c]phenazine  (5).  A  mixture  of  1,10‐phenanthroline‐5,6‐dione  (1.32  g,  6.27 

mmol) and 1,2‐phenylenediamine (0.81 g, 7.53 mmol) in ethanol (250 mL) were stirred at 50 °C for 

2 h and  then at room  temperature overnight. The solvent was evaporated  to obtain  the cream 

solid. The crude product was left to stand for 8 h, methanol‐water (10:90) was then added, and the 

product was filtered and recrystallized from methanol to give a cream solid (1.27 g, 72%). 1H NMR 

(400 MHz, CDCl3):  9.64 (dd, J = 8.1 Hz, 1.6 Hz, 2H), 9.27 (d, J = 3.2 Hz, 2H), 8.34 (dd, J = 6.5 Hz, 3.4 Hz, 2H) 7.92 (dd, J = 6.6 Hz, 3.4 Hz, 2H), 7.79 (q, J = 8.0 Hz, 4.4 Hz, 2H). 13C NMR (125 MHz, CDCl3): 

 152.5, 148.3, 142.5, 141.1, 133.8, 130.7, 129.5, 127.6, 124.2.  

[Fe(py)4(NCS)2]. Pyridine (10 mL), a solution of hydrated ferrous perchlorate (9.0 g, 35.33 mmol) in 

water (250 mL) and a pinch of ascorbic acid were added to a solution of potassium thiocyanate (4.0 

g, 41.16 mmol) in water (400 mL) to precipitate the yellow form. The yellow precipitate was filtered 

and washes with a mixture consisting of 65% ethanol, 25% water, and 10% pyridine and dried in 

vacuo for 30 min.  

 

[Fe(L)2(NCS)2]. The solution of Ligand (L) (0.5 mmol) in hot pyridine (20 mL) was added to a solution 

of [Fe(py)4(NCS)2] (0.5 mmol)  in hot pyridine (80 mL). After filtration, the filtrate was allowed to 

Page 24: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Synthesis and characterization of ligands and complexes 

85  

stand  for  one month  at  room  temperature  to  produce  the  complex  as  a  dark  violet  solid. All 

operations were conducted under a nitrogen atmosphere. 

 

[Fe(phen)2(NCS)2] (1).  Anal. Calc. for C26H16FeN6S2: C, 58.65; H, 3.03; N, 15.78% Found: C, 57.71; H, 

2.98; N, 15.51.   

 

[Fe(dppz)2(NCS)2]∙py (2). Anal. Calc. for C43H25FeN11S2: C, 63.31; H, 3.09; N, 18.98% Found: C, 63.01; 

H, 3.02; N, 18.76.   

 

A. 2  Synthesis and characterization of Ru(II) complexes (chapter 3 and 4)

 

Scheme A2.  Synthesis of [Ru(CH3CN)(MeN4Py)]2+ and [Ru(CH3CN)(N4Py)]2+ 

[Ru(Cl)(MeN4Py)]+. A mixture of MeN4Py; 1,1‐di(pyridin‐2‐yl)‐N,N‐bis(pyridin‐2‐ylmethyl)ethan‐1‐

amine (100.1 mg, 0.26 mmol), ruthenium(III) chloride hydrate (RuCl3xH2O) (122.4 mg, 0.59 mmol), 

and L‐ascorbic acid (92.4 mg, 0.52 mmol) were heated at reflux overnight in EtOH/H2O (10/15 mL) 

and then cooled to room temperature. The solvent was removed in vacuum and the crude product 

purified  by  the  column  chromatography  on  neutral  alumina,  eluting  with  CH3CN  to  yield 

[Ru(Cl)(MeN4Py)](Cl).  Saturated  aqueous  sodium  tetrafluoroborate  (NaBF4)  was  added  to 

[Ru(Cl)(MeN4Py)](Cl)  in water  resulting  in  precipitation  of  [Ru(Cl)(MeN4Py)](BF4)  as  a  red  solid 

(107.5 mg, 74%).1H NMR (400 MHz, CD3CN)9.35 (d, J = 5.4 Hz, 2H), 9.04 (d, J = 5.4 Hz, 2H), 7.88 (t, J = 7.8 Hz, 2H), 7.64 (d, J = 8.0 Hz, 2H), 7.54 (t, J = 7.7 Hz, 2H), 7.29 (t, J = 6.4 Hz, 2H), 7.24 (t, J = 

6.4 Hz, 2H), 6.98 (d, J = 8.0 Hz, 2H), 4.15 (qAB, J = 18.6 Hz, 4H), 2.25 (s, 3H). ESI mass: m/z 518 [M‐

BF4]+. 

 

[Ru(Cl)(N4Py)]+. Following the procedure as for [Ru(Cl)(MeN4Py)]+ complex, N4Py; 1,1‐di(pyridin‐2‐

yl)‐N,N‐bis(pyridin‐2‐ylmethyl)methanamine  (296  mg,  0.80  mmol),  RuCl3xH2O  (376  mg,  1.81 

mmol), and L‐ascorbic acid (284 mg, 1.61 mmol) in EtOH/H2O (20/30 mL) yield [Ru(Cl)(N4Py)](Cl) 

which was saturated aqueous potassium hexafluorophosphate (KPF6) resulting in precipitation of 

[Ru(Cl)(N4Py)](PF6) as a red solid (164 mg, 31%). 1H NMR (400 MHz, CD3CN):9.38 (d, J = 1.4 Hz, 2H), 9.00 (d, J = 1.4 Hz, 2H), 7.82‐7.89 (m, J = 7.7 Hz, 4H), 7.56 (d, J = 7.8 Hz, 1.6 Hz, 2H), 7.32 (t, J = 

Page 25: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Appendix A 

86  

6.3 Hz, 2H), 7.26 (t, J = 6.4 Hz, 2H,), 7.01 (t, J = 7.9 Hz, 2H), 6.39 (s, 1H), 4.30 (qAB, JAB = 17.6 Hz, 4H), 

(*4% of [Ru(CH3CN)(N4Py)](PF6) is observed by 1H NMR spectroscopy). 

 

[Ru(CH3CN)(MeN4Py)](BF4)2. Addition of 1 mL of water into the solution of [Ru(Cl)(MeN4Py)](BF4) 

(65 mg, 0.11 mmol) in CH3CN (9 mL) and the mixture was stirred overnight at 55 °C. The reaction 

was cooled to room temperature and the solvent reduced  in vacuum. A few drops of saturated 

aqueous NaBF4 was subsequently added to a product in water yielded [Ru(CH3CN)(MeN4Py)](BF4)2 

as a yellow solid (69.0 mg, 92%). 1H NMR (400 MHz, CD3CN) 8.94 (d, J = 5.4 Hz, 2H), 8.84 (d, J = 5.4 Hz, 2H), 7.97 (t, J = 7.7 Hz, 2H), 7.74 (d, J = 8.0 Hz, 2H), 7.64 (t, J = 7.8 Hz, 2H), 7.37 (t, J = 6.6 Hz, 

2H), 7.29 (t, J = 6.6 Hz, 2H), 7.07 (d, J = 8.0 Hz, 2H), 4.36 (s, 4H), 2.73 (s, 3H), 2.32(s, 3H). ESI mass: 

m/z 262 [M‐(BF4)2]2+. Anal. Calc. for RuC26H26B2F8N6: C, 44.79; N, 12.06; H, 3.75. Found: C, 43.31; N, 

11.75; H, 3.76%. 

 

[Ru(CH3CN)(N4Py)](PF6)2. Following the procedure as for [Ru(CH3CN)(MeN4Py)]2+. [RuCl(N4Py)](PF6)  

(152 mg, 0.23 mmol)  in CH3CN (30 mL) and water (3 mL) were stirred overnight at 60 °C. A few 

drops  of  saturated  aqueous  KPF6  was  subsequently  added  to  a  product  in  water  yielded 

[Ru(CH3CN)(N4Py)](PF6)2 as a yellow solid (138 mg, 74%). 1H NMR (400 MHz, CD3CN): 8.95 (d, J = 5.6 Hz, 2H), 8.82 (d, J = 5.4 Hz, 2H), 7.89‐7.97 (m, 2H), 7.64 (td, J = 7.8 Hz, 1.5Hz, 2H), 7.38 (t, J = 6.4 

Hz, 2H), 7.29 (t, J = 6.4 Hz, 2H), 7.09 (d, J = 7.9 Hz, 2H), 6.49 (s, 1H), 4.49 (s, 4H), 2.72(s, 3H). 13C 

NMR  (101 MHz, CD3CN,): 163.3, 159.6, 156.2, 152.6, 138.5, 137.39, 125.4, 124.9, 124.5, 121.6, 

78.1, 64.8, 4.2. ESI mass: m/z 255 [M‐(PF6)2]2+. Anal. Calc. for C25H24F12N6P2Ru: C, 37.55; N, 10.51; 

H, 3.03. Found: C, 36.87; N, 10.67; H, 2.98%. 

 

A. 2.1 Characterization of photoproduct [Ru(CD3CN)(CH3CN)(MeN4Py)]2+

 Scheme A3. 2D NMR Characterization of [Ru(CD3CN)(CH3CN)(MeN4Py)]2+ 

 

[Ru(CD3CN)(CH3CN)(MeN4Py)]2+. 1H NMR (400 MHz, CD3CN)  9.02 (d, J = 5.8 Hz, 1H), 8.83 (d, J = 5.6 Hz, 1H), 8.80 (d, J = 5.4 Hz, 1H), 8.75 (d, J = 4.4 Hz, 1H), 8.01 (t, J = 7.8 Hz, 1H), 7.88 (t, J = 7.8 Hz, 

1H), 7.74, (t, J = 7.7 Hz, 1H), 7.64 (d, J = 8.0 Hz, 1H), 7.59 (m, 2H), 7.53 (d, J = 7.8 Hz, 1H), 7.44 (t, J 

= 6.8 Hz, 1H), 7.34 (t, J = 6.9 Hz, 1H), 7.26 (t, J = 6.6 Hz, 1H), 7.14 (d, J = 8.2 Hz, 1H), 6.79 (d, J = 7.6 

Hz, 1H), 5.42 (d, J = 14.7 Hz, 1H), 5.21 (d, J = 15.0 Hz, 1H), 3.71 (d, J = 17.5 Hz, 1H), 3.31 (d, J = 17.7 

Hz, 1H), 2.78 (s, 3H), 2.36 (s, 3H). 13C NMR (101 MHz, CD3CN):  170.5, 163.2, 161.1, 156.6, 153.9, 

Page 26: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Synthesis and characterization of ligands and complexes 

87  

152.3, 151.8, 149.8, 138.0, 137.9, 137.4, 136.7, 126.5, 124.51, 124.9, 124.8, 124.3, 124.3, 124.0, 

123.5, 120.5, 117.3, 81.8, 64.7, 63.0, 28.6, 2.8. 

 

 Figure  A1.  DQF‐COSY  NMR  spectrum  of  [Ru(CD3CN)(CH3CN)(MeN4Py)]2+  complex  in 

acetonitrile‐d3.  

 

A. 2.2 Characterization of photoproduct [Ru(CD3CN)(CH3CN)(N4Py)]2+ A. 2.2.1 2D NMR Spectroscopy

Scheme A4. 2D NMR characterization of [Ru(CD3CN)(CH3CN)(N4Py)]2+ 2a and 2b. 

2a, 1H NMR (400 MHz, CD3CN)  9.02 (d, J = 5.5 Hz, 1H), 8.85 (d, J = 4.7 Hz, 1H), 8.69 (d, J = 5.5, 1H), 8.13 (td, J = 7.7 Hz, 1.8 Hz, 1H), 7.93 (d, J = 7.2 Hz, 1H), 7.77‐7.74 (m, 2H), 7.67 (m, 1H), 7.58 

(t, J = 7.8 Hz, 1H), 7.39 (t, J = 6.6 Hz, 1H), 7.35 (d, J = 7.8 Hz, 1H), 7.33‐7.27 (m, 1H), 7.25 (t, J = 6.7 

Hz, 1H), 7.02 (d, J = 8.4 Hz, 1H), 7.00 (d, J = 7.8 Hz, 1H), 6.19 (s, 1H), 5.56 (d, J =18.8 Hz, 1H), 5.24 

(d, J = 15.3 Hz, 1H), 4.54 (d, J = 15.3 Hz, 1H), 3.89 (d, J = 18.8 Hz, 1H), 2.77 (s, 3H). 13C NMR (101 

MHz, CD3CN) 165.6, 165.4, 164.7, 156.5, 155.7, 154.6, 153.5, 153.0, 140.8, 140.5, 140.0, 139.9, 130.8, 128.7, 127.9, 127.8, 127.5, 126.7, 125.6, 122.8, 82.2, 71.3, 71.3, 65.4, 65.4, 6.8. 

 

Page 27: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Appendix A 

88  

2b, 1H NMR (400 MHz, CD3CN) 9.13 (d, J = 5.6 Hz, 1H), 8.80, (d, J = 5.5 Hz, 1H), 8.69 (d, J = 5.5 Hz, 1H), 8.62 (d, br, 1H), 7.96 (m, 1H), 7.91 (m, 1H), 7.72 (m, 1H), 7.67 (m, 1H), 7.55 (m, 1H), 7.52 (m), 

7.44 (t, J = 6.6 Hz, 1H), 7.33‐7.27 (m, 2H), 7.08 (d, J = 12.0 Hz, 1H), 6.50 (d, br, 1H), 5.68 (s, 1H), 5.18 

(d, J = 15.4 Hz, 1H), 4.95 (d, J = 15.4 Hz, 1H), 4.64, (d, J = 16.0 Hz), 4.18 (d, J = 16.0 Hz, 1H), 2.76 (s, 

3H). 13C NMR (101 MHz, CD3CN) 166.5, 166.0, 165.3, 156.5, 155.0, 154.6, 153.3, 140.8, 140.7, 140.2, 139.4, 129.3, 128.0, 127.9, 127.9, 127.2, 127.0,126.3, 126.2, 125.1, 81.9, 72.1, 72.1, 66.6, 

66.6, 6.8.  

 

The 1H COSY NMR spectra indicate a correlation between coupled protons of the photoproducts, 

with blue lines referring to 2a (major product) and green lines to 2b (minor product). 

Figure A2. 1H COSY NMR spectra of 2 in acetonitrile‐d3 after irradiation at 457 nm (region between 

3.3‐6.1 ppm).  

 

Page 28: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Synthesis and characterization of ligands and complexes 

89  

 Figure A3. 1H COSY NMR spectra of 2 in acetonitrile‐d3 after irradiation at 457 nm (region between 

6.8‐9.3 ppm).  

 

In the 1H NOESY spectrum shows cross peaks with a yellow line indicating correlation of protons of 

the photoproduct 2a. Due to the low concentration of the minor product 2b cross peaks are weak.  

Figure A4. 1H‐1H NOESY NMR spectra of 2 in acetonitrile‐d3 after irradiation at 457 nm. 

Page 29: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Appendix A 

90  

 Figure A5. HSQC NMR spectra of 2 in acetonitrile‐d3 after irradiation at 457 nm. 

 

 Figure A6. HMBC NMR spectra of 2 in acetonitrile‐d3 after irradiation at 457 nm 

   

Page 30: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Synthesis and characterization of ligands and complexes 

91  

A. 2.2.2 X−ray Crystallography of Photoproducts

 Figure A7. Molecular  structure of  compound 2a,  showing 50% probability ellipsoids. Hydrogen atoms are omitted for clarity. 

 

A single crystal of compound 2a was mounted on top of a cryoloop and transferred  into the 

cold  nitrogen  stream  (150  K)  of  a  Bruker‐AXS D8  Venture  diffractometer. Data  collection  and 

reduction was done using the Bruker software suite APEX2.1 The final unit cell was obtained from 

the  xyz  centroids  of  9479  reflections  after  integration.  A multiscan  absorption  correction was 

applied, based on  the  intensities of symmetry‐related  reflections measured at different angular 

settings (SADABS). The structures were solved by direct methods using SHELXT2 and refinement of 

the structure was performed using SHELXL.3 Refinement of the initial solution indicated that one of 

the PF6 counter ions was disordered, with the electron density of four of the six F atoms smeared 

out. This disorder was initially described by two components, but subsequent refinement of that 

model indicated that the two components were each also disordered (and might be further split). 

To  constrain  the  atomic displacement parameters  to  reasonable  values, ultimately DELU/SIMU 

instructions were applied to these F atoms. The sof of the major fraction of the two‐site occupancy 

model was refined to 0.85. The hydrogen atoms were generated by geometrical considerations, 

constrained to  idealized geometries and allowed to ride on their carrier atoms with an  isotropic 

displacement parameter related to the equivalent displacement parameter of their carrier atoms. 

Crystal data and details on data collection and refinement are presented in Table A1.  

Table A1.  Crystallographic data for 2a. 

   

chem formula  C27 H27 F12 N7 P2 Ru 

Mr  840.56 

cryst syst  orthorhombic 

color, habit  yellow, platelet  

size (mm)  0.33 x 0.27 x 0.04  

space group  Pbca 

a (Å)  15.206(4) 

b (Å)  17.787(4) 

c (Å)  24.112(7) 

V (Å3)  6522(3) 

Z  8 

Page 31: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Appendix A 

92  

calc, g.cm‐3  1.712 

µ(Mo K ), cm‐1 0.680 

F(000)  3360 

temp (K)  150(2) 

 range (deg)  2.785 – 27.174 

data collected (h,k,l)  ‐19:19, ‐22:19, ‐30:30 

no. of rflns collected  86605 

no. of indpndt reflns  7202 

observed reflns  6027 (Fo  2 (Fo)) R(F) (%)  3.99 

wR(F2) (%)  9.62 

GooF  1.82 

Weighting a,b  0.0239, 13.7413  

params refined  481 

restraints  54 

min, max resid dens  ‐0.756, 1.025  

 

 Figure A8. Molecular structure of compound 2b, showing 50% probability ellipsoids. Hydrogen atoms are omitted for clarity. 

 

A single crystal of compound 2b was mounted on top of a cryoloop and transferred  into the 

cold  nitrogen  stream  (150  K)  of  a  Bruker‐AXS D8  Venture  diffractometer. Data  collection  and 

reduction was done using the Bruker software suite APEX2.1 It was clear from the initial unit cell 

determination of several crystals that the quality of the batch of crystals was poor, and all crystals 

were rather small. Ultimately, the ‘best’ crystal was measured up to a resolution of 0.95 Å using Cu 

K radiation. A dataset was measured to a completeness of ca. 90%. Due to the poor crystal quality 

the structure determination only serves the purpose to establish atom connectivity. The final unit 

cell  was  obtained  from  the  xyz  centroids  of  3789  reflections  after  integration.  A  multiscan 

absorption  correction  was  applied,  based  on  the  intensities  of  symmetry‐related  reflections 

measured at different angular settings  (SADABS). The structures were solved by direct methods 

using SHELXT2 and refinement of the structure was performed using SHELXL.3 The hydrogen atoms 

were generated by geometrical considerations, constrained to idealized geometries and allowed to 

ride on  their carrier atoms with an  isotropic displacement parameter  related  to  the equivalent 

displacement parameter of  their  carrier atoms. Crystal data and details on data  collection and 

refinement are presented in Table A2. 

Page 32: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Synthesis and characterization of ligands and complexes 

93  

Table A 2. Crystallographic data for 2b. 

   

chem formula  C27 H27 F12 N7 P2 Ru 

Mr  840.56 

cryst syst  triclinic 

color, habit  yellow, platelet  

size (mm)  0.13 x 0.17 x 0.04  

space group  P‐1 

a (Å)  10.1549(4) 

b (Å)  10.3638(4) 

c (Å)  16.5618(8) 

, deg  76.291(3) 

, deg  80.761(3) 

, deg  75.251(3) 

V (Å3)  1628.23(12) 

Z  2 

calc, g.cm‐3  1.714 

µ(Cu K ), cm‐1 5.760 

F(000)  840 

temp (K)  150(2) 

 range (deg)  4.508 – 54.223 

data collected (h,k,l)  ‐10:9, ‐10:10, ‐16:16 

no. of rflns collected  7502 

no. of indpndt reflns  3533 

observed reflns  2492(Fo  2 (Fo)) R(F) (%)  6.33 

wR(F2) (%)  17.83 

GooF  1.12 

Weighting a,b  0.0454, 18.6676  

params refined  444 

restraints  287 

min, max resid dens  ‐1.097, 1.233  

Page 33: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Appendix A 

94  

A. 3 Synthesis and characterization of dimeric Fe(III) complexes (chapter 5 and 6) A. 3.1 Synthesis of ligand HL1

 Scheme A5. Synthesis of ligand HL1. 

 

Di(pyridin‐2‐yl)methanone  oxime  (4).  Di(pyridin‐2‐yl)methanone  (4.19  g,  22.80  mmol)  was 

combined with  hydroxylamine  hydrochloride  (3.16  g,  45.60 mmol)  and  pyridine  (25 mL).  The 

reaction mixture was heated at reflux  for 2 h. After stirring overnight at room  temperature  the 

mixture was poured onto ice water (100 mL) yielding a precipitate, which was recovered by vacuum 

filtration and washed with cold water  to yield 4  (4.24 g, 93%) as a white solid which was used 

without further purification. 1H NMR (400 MHz, CDCl3)  8.63 (m, 2H), 7.85 (m, 3H), 7.67 (d, J = 8.0 

Hz, 1H), 7.45 (m, 1H), 7.35 (td, J = 6.7 Hz, 2.2 Hz, 1H). 

 

Di(pyridin‐2‐yl)methanamine  (5).  Zinc  powder  (3.12  g,  47.76 mmol) was  added  slowly  at  room 

temperature  to  a  mixture  of  ammonium  acetate  (1.02  g,  13.26  mmol)  and  di(pyridin‐2‐

yl)methanone  oxime  (2.64  g, 13.26 mmol)  in 25% NH3/H2O  (20 mL)  and  ethanol  (15 mL).  The 

mixture was heated at reflux for 2.5 h. After stirring at room temperature overnight, the solution 

was filtered over Celite, which was subsequently washed with ethanol. After evaporation of the 

solvent in vacuo, 2 M NaOH (30 mL) was added to the residue and the product was extracted with 

CH2Cl2  (3×30 mL).  The  combined  CH2Cl2  layers  were washed with  brine  (20 mL),  dried  (over 

anhydrous Na2SO4) and the solvent removed in vacuum to yield 5 (1.93 g, 79%) as a yellow oil. 1H 

NMR (400 MHz, CDCl3)  8.54 (d, J = 4.8 Hz, 2H), 7.60 (t, J = 7.6 Hz, 2H), 7.37 (d, J = 8.0 Hz, 1H), 7.11 (t, J = 6.4 Hz, 2H). 

 

Page 34: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Synthesis and characterization of ligands and complexes 

95  

1,1‐Bis(pyridin‐2‐yl)‐N‐(pyridin‐2‐ylmethyl)methanamine  (7).  Pyridine‐2‐carboxaldehyde  (1.12  g, 

10.44 mmol) was added to di(pyridin‐2‐yl)methanamine (1.93 g, 10.44 mmol) was added. A cream 

solid was obtained after stirring for 10 min, which was washed with cyclohexane to remove traces 

of unreacted  starting material, yielding 6. Subsequently, 6 was dissolved  in MeOH  (30 mL) and 

NaBH4 (0.79 g, 20.88 mmol) added in small portions. After stirring at room temperature for 2 h, HCl 

(aq) was added to bring the solution to pH < 2. After stirring for 30 min 5 M NaOH (aq) was added 

to raise the pH to > 9. The methanol was removed in vacuum and the aqueous layer extracted with 

ethyl acetate (3×30 mL). The combined organic layers were washed with brine (30 mL) and dried 

over anhydrous Na2SO4. Removal of solvent in vacuum provided 7 (2.63 g, 92% over 2 steps) as a 

yellow oil. 1H NMR (400 MHz, CDCl3)  8.54 (m, 3H), 7.60 (m, 3H), 7.46 (d, J = 8.0 Hz, 2H), 7.34 (d, J 

= 8.0 Hz, 1H), 7.12 (m, 3H), 5.16 (s, 1H), 3.93, (s, 2H). 

 

o‐Tolyl acetate (9). Acetyl chloride (4.20 g, 30.10 mmol) was added to a solution of o‐cresol (1.93 g, 

17.89 mmol) in 1% TfOH/CH3CN (65 mL). After stirring overnight at room temperature the solution 

was poured onto cold water and extracted with ethyl acetate (3×20 mL). The combined organic 

layers were washed with 1 M HCl  (30 mL), sat. NaHCO3  (30 mL), brine  (30 mL), and dried over 

anhydrous Na2SO4. Removal of solvent in vacuum yielded 9 (2.59 g, 96%) as a clear oil. 1H NMR (400 

MHz, CDCl3)  7.24 (m, 2H), 7.16, (td, J = 7.2 Hz, 1.2 Hz, 1H), 7.03 (d, J = 8.0 Hz, 1H), 2.33 (s, 3H), 

2.21 (s, 1H). 

 

2‐(Bromomethyl)phenyl  acetate  (10).  Azobisisobutyronitrile  (1.36  g,  8.32  mmol)  and  N‐

bromosuccinimide (3.00 g, 16.65 mmol) were added to a solution of o‐tolyl acetate (2.50 g, 16.65 

mmol) in benzene (40 mL). After heating at reflux for 6 h the solution mixture was cooled to room 

temperature and extracted with CH2Cl2 (2×30 mL). The combined organic layers were washed with 

sat. Na2CO3  (30 mL), brine  (30 mL) and dried over anhydrous Na2SO4. Evaporation of solvent  in 

vacuum  followed by column chromatography on silica  (10% EtOAc/Pentane) yielded 10  (3.12 g, 

79%) as a yellow oil. 1H NMR (200 MHz, CDCl3)  7.55 (m, 2H), 7.36 (m, 2H), 4.61 (s, 2H), 2.55 (s, 

3H). 

 

2‐(((Di(pyridin‐2‐yl)methyl)(pyridin‐2‐ylmethyl)amino)methyl)phenol  (HL1).  Diisopropylethylamine 

(0.86  g,  6.62  mmol)  was  added  to  a  mixture  of  amine  6  (1.20  g,  4.42  mmol)  and  2‐

(bromomethyl)phenyl acetate 9 (1.31g, 5.17 mmol) in ethyl acetate (30 mL). After heating at reflux 

overnight,  the  solvent  was  removed  under  vacuum  and  the  residue  purified  by  column 

chromatography on silica (EtOAc/Pentane /Et3N = 7:2:1). A mixture of acylated 10 and deacylated 

amine HL1 was obtained (1.03 g). The mixture (1.03 g) was dissolved in MeOH/ H2O (35:5 mL) and 

sat NaHCO3  (20 mL) added. After  stirring overnight, water was added  (20 mL) and  the mixture 

extracted with CH2Cl2 (2×20 mL). The combined organic layers were washed with brined (30 mL) 

and dried over anhydrous Na2SO4. Evaporation of the solvent in vacuum yielded HL1 (0.81 g, 48% 

over 2 steps) as a yellow oil. 1H NMR (400 MHz, CDCl3)  8.65 (d, J = 5.6 Hz, 2H), 8.49 (d, J = 5.6 Hz, 1.2 Hz, 1H), 7.63 (td, J = 7.6 Hz, 1.6 Hz, 2H), 7.55 (td, J = 7.6 Hz, 1.6 Hz, 1H), 7.44 (d, J = 8.0 Hz, 1H), 

7.22 (m, 4H), 7.14 (td, J = 7.6 Hz, 1.6 Hz, 1H), 7.08 (m, 1H), 6.94 (m, 2H), 6.70 (td, J = 7.2 Hz, 1.2 Hz, 

1H), 5.27 (s, 1H), 3.92 (s, 2H), 3.77 (s, 2H). 

   

Page 35: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Appendix A 

96  

A. 3.2 Synthesis of ligand HL2

 

Scheme A6. Synthesis of Ligand HL2. 

 

2,4‐Di‐tert‐butyl‐6‐(hydroxymethyl)phenol (12). Addition of suspensions of paraformaldehyde (1.50 

g, 149 mmol) in MeOH (40 mL) to the solution mixture of 2,4‐di‐tert‐butylphenol (30 g, 145 mmol) 

and LiOH (0.28 g, 11.63 mmol) in MeOH (40 mL). The reaction mixture was heated at reflux for 16 

h, the solvent then was removed under reduced pressure to give a cream solid residue. Dissolve 

the  residue  with  diethyl  ether  and  then  washed  organic  solvent  with  water  and  dried  over 

anhydrous  Mg2SO4.  Removing  the  solvent  to  obtained  a  white  powder  which  purified  by 

recrystallization from hexane to yield 12 (17.05 g, 50%) as white solid. 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 

7.55 (s, 1H), 7.30 (s, 1H), 6.91 (s, 1H), 4.84 (s, 2H), 2.13 (br, 1H), 1.45 (s, 9H), 1.30 (s, 9H). 13C NMR 

(101 MHz, CDCl3) δ 155.8, 144.3, 139.2, 126.7, 126.6, 125.3, 68.5, 37.6, 36.9, 34.3, 32.4. 

 

2‐(Bromomethyl)‐4,6‐di‐tert‐butylphenol (13). A solution of PBr3 (5.77 g, 21.32 mmol) in CHCl3 (60 

mL) was added drop‐wise to a solution of 12 (10.08 g, 42.65 mmol) in CHCl3. The reaction mixture 

was stirred at room temperature for overnight. Addition of water drop‐wise to quench the reaction 

results  a  white  solution.  Organic  layer  was  separated  and  aqueous  was  extracted  with 

dichloromethane (2×30 mL). The organic layer was combined, dried over anhydrous Mg2SO4, and 

solvent were removed under pressure to give 13 (12.12 g, 95%) as white solid. 1H NMR (400 MHz, 

CDCl3) δ 7.33 (d, J = 2.5 Hz, 1H), 7.10 (d, J = 2.4 Hz, 1H), 4.59 (s, 2H), 2.18 (s, 1H), 1.43 (s, 9H), 1.30 

(s, 9H). 13C NMR (101 MHz, CDCl3) δ 154.3, 145.6, 139.8, 128.3, 127.3, 125.9, 37.6, 37.0, 35.3, 34.2, 

32.5. 

3,5‐di‐tert‐butyl‐2‐(((di(pyridin‐2‐yl)methyl)(pyridin‐2‐ylmethyl)amino)methyl)phenol  (HL2). 

Addition  of  2‐(bromomethyl)‐4,6‐di‐tert‐butylphenol  (13)  (2.32  g, 7.76 mmol)  into  the  solution 

mixture of 1,1‐bis(pyridin‐2‐yl)‐N‐(pyridin‐2‐ylmethyl)methanamine  (7)  (2.12  g, 7.76 mmol)  and 

KOH (0.7 g, 12.41 mmol) in dry toluene (60 mL). The reaction mixture was heat at 70 °C under N2 

for overnight. Filtered cool solution and solvent was then removed under reduce pressure. Addition 

of ethyl acetate  (50 mL)  to crude product  then washed with sat. NaHCO3, brine and dried over 

anhydrous Na2SO4. Evaporation of solvent  in vacuum  followed by column chromatography over 

silica (Pentane/EtOAc/Et3N = 2:1:0.5) yielded HL2 (2.18 g, 57 %) as a yellow oil. 1H NMR (400 MHz, 

Page 36: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Synthesis and characterization of ligands and complexes 

97  

CDCl3) δ 11.23 (s, 1H), 8.66 (d, J = 4.6 Hz, 2H), 8.48 (d, J = 4.7 Hz, 1H), 7.62 (t, J = 7.6 Hz, 2H), 7.53 

(t, J = 7.6, Hz, 1H), 7.46 (d, J = 7.6 Hz, 1H), 7.31 (d, J = 7.8 Hz, 2H), 7.15–7.23 (m, 3H), 7.06 (t, J = 6.9 

Hz, 1H), 6.77 (d, J = 2.4 Hz, 1H), 5.29 (s, 1H), 3.95 (s, 2H), 3.80 (s, 2H), 1.49 (s, 9H), 1.23 (s, 9H). 13C 

NMR (101 MHz, CDCl3) δ 162.5, 161.6, 156.8, 151.6, 151.1, 142.3, 139.1, 139.0, 138.1, 128.3, 127.2, 

126.2, 125.7, 124.9, 124.9, 124.4, 73.0, 58.9, 57.9, 37.7, 36.7, 34.3, 33.6, 32.3. 

 

A. 3.3 Synthesis of ligand HL2

 

Scheme A7. Synthesis of Complex 1 and 2. 

 

[(L1)Fe(µ‐O)Fe(L1)](ClO4)2 (1). Fe(ClO4)2∙6H2O (0.16 g, 0.44 mmol)  in MeOH (1 mL) was added to a 

solution of 2‐(((di(pyridin‐2‐yl)methyl)(pyridin‐2‐ylmethyl)amino)methyl)phenol (HL1) (0.14 g, 0.37 

mmol) in MeOH (5 mL). Subsequently, Et3N (52 µL, 0.37 mmol) was added dropwise. After stirring 

for 15 min the reaction mixture was filtered over cotton wool and placed in an EtOAc bath. Dark 

micro‐crystalline solid formed over several days, which were collected and washed with EtOAc and 

recrystallized from MeOH, yielding 1 as a purple crystalline solid. (70 mg, 17 %). 1H NMR (400 MHz, 

acetonitrile‐d3)  40 (br), 34 (br), 26 (br), 20.3, 18.6, 17.7, 17.1, 16.0, 14.7, 13.7, 10.9, 8.0, 6.7, 3.1, 1.2,  ‐2.8. ESI mass: m/z 445 {M‐2ClO4‐}; Anal. Calc. For C48H42N8O11Fe2Cl2∙H2O: C 52.1; H 4.01; N 

10.13%, found: C 52.1; H 3.98; N 9.97%. 

 

[(L2)Fe(µ‐O)Fe(L2)](ClO4)2 (2). Fe(ClO4)2∙6H2O (0.12 g, 0.48 mmol) in MeOH (1 mL) was added to  the 

solution  of  3,5‐di‐tert‐butyl‐2‐(((di(pyridin‐2‐yl)methyl)(pyridin‐2‐ylmethyl)amino)methyl)phenol 

(HL2) (0.22 g, 0.44 mmol)  in methanol (3 mL) Subsequently, Et3N (62 µL, 0.44 mmol) was added 

dropwise. After stirring for 30 min the reaction mixture was filtered over cotton wool and placed in 

an EtOAc bath. Dark micro‐crystalline solid  formed over several days, which were collected and 

washed with EtOAc and recrystallized from MeOH, yielding 2 as a purple crystalline solid. (145 mg, 

25 %). 1H NMR (400 MHz, acetonitrile‐d3) δ 29.9 (br), 21.9 (br), 18.1, 17.4, 15.35, 14.27, 12.11, 8.14, 

8.13,  7.88,  7.20,  4.06,  3.42,  1.76,  1.55,  1.20.  (ESI mass: m/z  557  {M‐2ClO4‐};  Anal.  Calc.  For 

C64H72Cl2Fe2N8O11H2O: C 57.71; H 5.75; N 8.41%, found: C 57.69; H 5.73; N 8.27%. 

Page 37: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Appendix A 

98  

A. 3.4 Extra information

Figure A7. 1H NMR spectra of 1 with 1 equiv. of TfOH in acetone‐d6. The sharp spikes at ca. 23 and 

42 ppm are spectral artefacts. 

 

 Figure A8. 1H NMR spectra of oxidation reaction of 1‐phenylethanol catalyzed by 1 in acetonitrile 

after 2h (a) without acid, (b) with 1 equiv. of TfOH. 

Page 38: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Synthesis and characterization of ligands and complexes 

99  

 Figure A9. 1H NMR spectra of oxidation reaction of 1‐phenylethanol catalyzed by 2 in acetonitrile 

(a) with 1 equiv. of TfOH (b) without acid.  

 

A. 3.5 References

(1)   Bruker, (2012). APEX2 (v2012.4‐3), SAINT (Version 8.18C) and SADABS (Version 2012/1). Bruker AXS Inc., 

Madison, Wisconsin, USA. 

(2)   Sheldrick, G. M.  SHELXT –  Integrated Space‐Group and Crystal‐Structure Determination. Acta  Cryst. 

2015, A71, 3−8. 

(3)   Sheldrick, G. M. A Short History of SHELX. Acta Cryst. 2008, A64, 112−122. 

                                                            

Page 39: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+
Page 40: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Appendix B

General Description of Techniques and Measurements    

Page 41: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Appendix B 

102  

Solvents for electrochemical and spectroscopic measurements were of UVASOL (Merck) grade or 

better. 

 

B. 1 Physical methods UV‐vis  absorption  spectroscopy.  UV‐vis  absorption  spectrum  is  recorded  with  a  Specord600 

(AnalytikJena) spectrophotometer in 10 mm path length quartz cuvettes.  

 

Nuclear magnetic resonance spectroscopy. 1H NMR spectra (400, 500 and 600 MHz) and 13C NMR 

spectra were recorded on a Varian Mercury Plus and Varian Inova, respectively. Chemical shifts are 

denoted relative to the residual solvent peak (1H NMR spectra CD3CN, 1.94 ppm; CDCl3, 7.26 ppm). 

Dichloromethane was  used  as  an  internal  reference with  Evan’s method  for  determination  of 

magnetic susceptibility. 2D NMR; COSY, NOESY, HSQC and HMBC spectra (400 MHz) were recorded 

on a Varian Mercury Plus. 1H NMR spectroscopy with in situ irradiation at 420 nm (LED, M420F2, 

10 mW at source, Thorlabs) and 365 nm (LED, M365FP1, 10 mW at source, Thorlabs) with  light 

delivered via a 5 m  (400 micron diameter) optical  fiber  in which  the  last 3 cm of cladding was 

removed and the bare fiber was lightly sanded to give an approximately uniform emission. The bare 

fiber end was inserted in the inner tube of a 5 mm Evan’s NMR tube with the sample solution held 

in the outer compartment of the tube. NMR spectra were recorded during irradiation.  

 

Elemental analysis. CHN analysis were performed with a Foss‐Heraeus CHN Rapid or a EuroVector 

Euro EA elemental analyzer.  

 

Electrospray  ionization  analysis.  ESI  mass  spectra  of  complexes  were  recorded  on  a  Triple 

Quadrupole  LC/MS/MS  mass  spectrometer  (API  3000,  Perkin‐Elmer  Sciex  Instruments).  High 

resolution mass spectra (HRMS) were recorded on Bruker MicroOTOF‐Q Instrument at Serveis 

Tecnic of University of Girona. 

 

Electron paramagnetic resonance spectroscopy. EPR spectra (X‐band, 9.46 GHz) were recorded on 

a Bruker ECS106 spectrometer, equipped with a Bruker ECS 041 XK microwave bridge and a Bruker 

ECS 080 magnet    in  liquid nitrogen (77 K) and Bruker EMXnano spectrometer version 001DRAFT 

(110 K).  

 

Fourier transform  infrared spectroscopy. FTIR spectra were recorded using a UATR (ZnSe) with a 

Perkin Elmer Spectrum400, equipped with a liquid N2 cooled MCT detector. 

 

Raman spectroscopy. Raman spectra were recorded at 785 nm using a Perkin Elmer Raman Station 

at room temperature. Raman spectra were recorded at 1064 nm in ordinary glass 1 cm cuvettes, 

using a  idus‐InGaAs‐512 diode array coupled to a Shamrock 163 spectrograph with a 600  l/mm 

grating blazed at 1200 nm and a 500 mW (200 at sample) 1064 nm laser (Rumba, Cobalt) combined 

using an  Inphotonics Raman probe. Raman spectra recorded at 355  (10 mW Cobalt  lasers), 473 

(100 mW Cobolt Lasers) and 561 nm (100 mW, Cobolt Lasers) used a home built system in which 

the laser was focused on the sample in a 180° backscattering arrangement and Raman scattering 

was collected collimated and subsequently refocused via a pair of 2.5 cm diameter plano‐convex 

lens (f = 10 cm). The collected light was filtered by an appropriate long pass edge filter (Semrock) 

and dispersed by a Shamrock300i spectrograph (slit width 80 micron, Andor Technology) with a 

Page 42: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

General description of techniques and measurements 

103  

1200 L/mm grating blazed at 500 nm. Raman  spectra at 532 nm  (200 mW, Cobolt Lasers) was 

recorded  in a 90° backscattering arrangement. Raman spectra recorded at 488 nm used a Nikon 

TE‐eclipse  inverted microscope  and 60x  confocal objective. Excitation was provided by  a  Laser 

combiner (Andor technology) equipped with an AOTF to control laser power. Raman scattering was 

collected and feed into a Shamrock 300 spectrograph using a 1200 l/mm grating blazed at 500 nm 

and a iVac CCD detector (Andor Technology). Data were recorded and processed using Andor Solis 

(Andor  Technology)  with  spectral  calibration  performed  using  the  Raman  spectrum  of 

acetonitrile/toluene 50:50 (v:v).1 A multipoint baseline correction was performed for all spectra. 

The  concentrations  used  for  resonance Raman  studies were  0.25‐0.30 mM  in  acetonitrile  and 

dichloromethane and samples were held in quartz 1 cm path length cuvettes (3 mL volume). 

 

Irradiation with UV‐vis absorption detection was carried out at 355 nm (7 mW, Cobolt lasers) 405 

nm (ONDAX lasers) and 457 nm (50 mW, Cobolt lasers).  

 

Electrochemistry. Electrochemical measurements were carried out on a model CHI760B, CHI600C 

or CHI1200C Electrochemical Workstation (CH  Instruments). A Teflon‐shrouded glassy carbon (3 

mm diameter),  indium tin oxide  (ITO) on glass slides  (1 cm × 1.4 cm), gold and platinum macro 

electrode were employed as working electrode (CH Instruments). A Pt wire was used as an auxiliary 

electrode, and Ag/AgCl reference electrode or a saturated calomel electrode  (SCE) was used as 

reference  electrode.  Cyclic  voltammograms  were  obtained  at  a  sweep  rate  of  100 mV  s‐1  in 

anhydrous  dichloromethane  or  acetonitrile  containing  0.1  M  tetrabutylammonium 

hexafluorophosphate  (TBAPF6)  with  analyte  concentrations  of  0.5  to  1  mM  unless  stated 

otherwise. Potentials are quoted with  respect  to  SCE unless  stated otherwise. Redox potential 

(Ep,a, anodic peak potential; Ep,c, cathodic peak potential; E1/2 = (Ep,a + Ep,c)/2) values are ± 10 

mV.  

 

Spectroelectrochemistry. Spectroelectrochemical experiments in solution were carried out using an 

OTTLE cell  (a liquid IR cell modified with Infrasil windows and a platinum mesh working and counter 

electrode and a Ag/AgCl reference electrode) mounted in a Specord600 UV‐vis spectrometer with 

potential controlled by a CHI600C potentiostat. In situ UV‐vis absorption spectroelectrochemistry 

of poly‐1 was carried out by initial modification of an ITO electrode by cyclic voltammetry follow by 

transfer to 2 mm quartz cuvette as an electrochemical cell.  

 

B. 2 Quantum yield determinations Absolute  quantum  yields  were  determined  with  reference  to  the  actinometer  potassium 

ferrioxalate.2 Laser flux was determined by the method of total absorption using 2 mL of 0.15M 

potassium ferrioxalate in a 1 cm pathlength cuvette with stirring. The actinometer was irradiated 

for 40  s  (at 457 nm) and a  reference  cuvette was held apart  from  the excitation  source. After 

irradiation, 1 mL of each solution was added to buffered aqueous phenanthroline (0.1 M, 2 mL), 

and diluted 10 fold with water and left to stand in the dark for at least 30 min and the absorbance 

determined at 510 nm. The photon flux was calculated using equation (1).  

 

∆Ф

20 1 

Page 43: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Appendix B 

104  

Where L is the pathlength of the cuvette, ε is the molar absorptivity of iron(II) tris‐phenanthroline 

(11100 L mol‐1 cm‐1 at λmax 510 nm), Ф is quantum yield of the actinometer at 457 nm, i.e. 0.85,3 t 

is  the  irradiation  time  (40  s),  F  is  the  fraction  of  the  light  the  actinometer  absorbed;  as  the 

absorbance of the ferrioxalate solution was above 2, F was taken to be 100%.  

2 mL of a solution of Ru(II) complexes 1 (or 2) (concentration was determined by the absorbance 

at  457  nm, which  should  be  is  close  to  2) was  irradiated  under  identical  conditions with  the 

absorbance at 457 nm monitored by UV‐vis absorption spectroscopy. The change  in absorbance 

with time was used to determine the photochemical quantum yield using equation (2). 

Ф /

2

∆ / /

/ ∗ 

Where ∆   is  the  change  in  absorbance  at  457  nm  over  the  irradiation  time,    is  the molar 

absorbtivity  of  complexes  at  457  nm,  the  irradiation  time  was  dependent  on  the  change  in 

absorbance and was  less  than 0.2, allowing  for  the approximation that  the number of moles of 

photons absorbed per unit time is essentially unchanged, i.e. ca. 0% transmittance and hence equal 

to Nhv/t. 

 

B. 3 Spin crossover occurrence The spin crossover effect is observed for complexes of the transition metal ions particularly those 

of  the  first  transition  series with configurations d4  to d7, which  splitting of  the energy of  the d 

orbitals into the t2g and eg sets. The strength of ligand filed about the metal ion can exist in either 

the high‐spin (HS) or low‐spin (LS) state that a weak field and strong field stabilized the HS and LS 

state, respectively (Figure B1). The spin transition (ST) or spin crossover (SCO) exhibit a switching 

phenomenon by external perturbation upon change of temperature, pressure, irradiation with light 

or in a magnetic field.4 The population of LSHS transition involves of anti‐bonding orbital which 

accompanies a lengthening and weakening of Fe‐L bond lengths (vide  infra).5 The change in spin 

state is involvement the change in electronic structure of central ion which make the physical and 

chemical properties of the whole molecule change.  

 Figure  B1.  Electronic  distribution  between  HS  and  LS  states  of  an  octahedral  for  a  d6  Fe(II) 

coordination compound exhibited spin crossover (top). Potential energy curve for spin crossover 

system, r = change in bond length (bottom). 

Page 44: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

General description of techniques and measurements 

105  

B. 4 Light-induced spin transition Light‐induced spin transition in solution is first observed by McGarvey et al.6 who reported using 

laser excitation within an MLCT absorption band of Fe(II) spin crossover complexes to increase the 

population of the high spin state. In particular, inducing a spin transition of [Fe(ptz)6](BF4)2 complex 

in a solid state at 10 K from LS to HS by irradiation with light, know as light induced excited spin 

state  trapping  (LIESST)  effect,  has  attracted much  attention  since  Decurtins  and  co‐workers7 

discovered in 1984.  

 Figure B2. Schematic showing LIESST and reverse‐LIESST. Light induced excitation is shown by full 

arrows,  dotted  arrows  denote  non‐radiative  internal  conversion  or  formally  spin‐forbidden 

intersystem crossing. 

 

The  photophysical  process  involved  in  LIESST  phenomenon  are  represented  in  the  Jablonski 

diagram (Figure B2). Upon  irradiation of the LS  isomer with green  light results  in a spin‐allowed 

transition  to  a  singlet  state  followed  by  rapid  internal  conversion  to  the  lowest  1T  state  (1T1). 

Intersystem crossing to a low‐lying 3T state (weakly allowed through spin‐orbit coupling) which can 

decay back to the LS state or to the HS state where it is “frozen” (vide supra). Light‐induced back 

conversion    (reverse‐LIESST)  of metastable  HS  state    is  effected  by  irradiation with  red  light, 

whereby the HS in 5T2 state is excited to 5E state and relaxes to the low spin 1A1 configuration.  

 

B. 5 Resonance Raman scattering Raman spectroscopy involves excitation of the molecule with monochromatic light from initial to 

virtual state and then molecule relaxes to the same or different vibrational level of incident light. 

When the wavelength of incident light coincides with an electronic transition of the molecule thus 

the  Raman  scattering  observed  might  be  enhanced  by  104‐106  times  under  dilute  solution. 

However,  the enhancement  is not  in general observed  for all vibrational modes,  rather certain 

modes of nature electronic transitions become a selective enhancement.8 

 

Page 45: University of Groningen Mechanisms in Ruthenium(II) … · 2017. 2. 10. · Mechanism of an diiron(III)bis‐phenolato complex catalyzed oxidation 67 O Fe Fe N N O N N N O N N N 2+

Appendix B 

106  

 Figure B3. Schematic diagram depicting resonance Raman scattering.  

 

B. 6 References

(1)   Calibration reference for Raman measurement 

(2)   Hatchard,  C.;  Parker,  C.  A.,  A  new  sensitive  chemical  actinometer.  II.  Potassium  Ferrioxalate  as  a 

Standard Chemical Actinometer. Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and 

Physical Sciences 1956, 235, 518−536. 

(3)   Demas,  J.;  Bowman, W.;  Zalewski,  E.;  Velapoldi,  R.,  Determination  of  the  Quantum  Yield  of  the 

Ferrioxalate Actinometer with Electrically Calibrated Radiometers. J. Phys Chem. 1981, 85, 2766−2771. 

(4)   (a) Gütlich, P.; Hauser, A. Spiering. H. Thermal and Optical Switching of  Iron(II) Complexes.   Angew. 

Chem.  Int. Ed. Engl. 1994, 33, 2024−2054.  (b) P. Gütlich, Spin Crossover – Quo Vadis?, Eur.  J.  Inorg. 

Chem. 2013, 5, 518−591.  

(5)   Browne,  R.W.;  McGarvey  J.  J.;  Raman  Scattering  and  Photophysics  in  Spin‐State‐Labile  d6  Metal 

Complexes Coord. Chem. Rev. 2006, 250, 1696−1709.  

(6)   McGravey,  J.  J.;  Lawthers,  I.  Photochemically‐induced  Perturbation  of  the 1A⇌5T  Equilibrium  in 

FeII Complexes by Pulsed Laser Irradiation in the Metal‐to‐Ligand Charge‐Transfer Absorption Band. J. 

Chem. Soc., Chem. Commun. 1982, 906−907. 

(7)   Decurtins,  S.;  Gütlich,  P.;  Köhler,  C.P.;  Spiering,  H.  Light‐Induced  Excited  Spin  State  Trapping  in  a 

Transition‐Metal  Complex:  The  Hexa‐1‐propyltetrazole‐Iron(II)  Tetrafluoroborate  Spin‐Crossover 

System. Chem. Phy. Lett. 1984, 105,1−4. 

(8)   Browne, W. R.; McGarvey,. J. J. The Raman Effect and  its Application to Electronic Spectroscopies  in 

Metal‐Centered Species: Techniques and Investigations in Ground and Excited States. Coord. Chem. Rev. 

2007, 251, 454−473.