Mono- and dinuclear ruthenium complexes: synthesis, characterization and their impact in oxidation reactions

Abstract

El objeto principal de mi tesis es el desarrollo de nuevos complejos polipiridílicos de rutenio, mas concretamente complejos Ru-aguo. Una de las propediades mas interesantes que presentan este tipo de complejos es su capacidad para llevar a cabo un proceso de ”Proton Coupled Electron Transfer”. Este proceso le permite acceder a estados de oxidación elevados. Este es un requisito para ejecutar catálisis redox. Como interesante aplicaciones podemos nombrar la transformación de sulfitos a sulfoxidos (sulfoxidación) y la oxidación de agua a oxígeno molecular. Al principio del manuscrito se presentan complejos mononucleares de rutenio que contienen el ligando DMSO. Los resultados obtenidos respecto la isomerización de enlace están conectados con los resultados obtenidos durante la sulfoxidación utilizando los correspondientes complejos Ru(H2O). El segundo campo de interés esta basado en la oxidación de agua a oxigeno molecular. Una variedad de complejos Ru(H2O) mono- y dinucleares son presentados. Estos se distinguen entre si en sus propiedades estéricas y electrónicas. Estas propiedades están realizadas con su reactividad respeto la oxidación de agua a oxígeno molecular. Los resultados obtenidos permiten tener un mayor conocimiento sobre el mecanismo, formando una base para el futuro desarrollo de nuevos catalizadores para la oxidación de agua. Un punto culminante de esta tesis es la presentación de un sistema capaz de oxidar agua a oxigeno utilizando la irradiación con luz visible. Este sistema consiste en uno de los complejos Ru(H2O) anteriormente descritos, un “photosensitizer” ([Ru(bpy)3]2+) y un aceptor de electrones ([CoCl(NH3)5]2+). Este tipo de reacción juega un papel importante como reacción en el ánodo

The main topic of my thesis is the development of new Ruthenium based polypyridyl complexes, with the focus on Ru-aquo compounds. These Ru-aquo compounds present the interesting property of undergoing proton coupled electron processes. This allows such compounds to reach high oxidation states, which is a requirement in redox catalysis. Applications of interest involve the transformation of sulfites into sulfoxides (sulfoxidation) and the oxidation of water to molecular oxygen (water oxidation). At first different mononuclear ruthenium compounds containing one or two DMSO ligands are presented. The obtained findings concerning S- to O-linkage isomerization are transferred and connected to results from catalysis using Ru(H2O)-compounds as catalysts. The second field of interest concerns water oxidation. A variety of mono- and dinuclear Ru(H2O)-compounds differing in electronic and steric properties are described. These differences are connected to the catalytic activity towards water oxidation reaction. New insights in the underlying reaction mechanisms are provided, which constitute a strong basis for the development of future water oxidation catalysts. One highlight of this thesis is the introduction of mononuclear Ru(H2O)-compounds combined with a [Ru(bpy)3]2+ and a CoIII sacrificial electron acceptor, which successfully produce molecular oxygen upon light irradiation. Light driven water oxidation as anode reaction and the recombination of the electrons and protons from the oxidation process at the cathode form a device called solar fuel cell, that once fully mature may play an important role in a future renewable energy system.