Proton Transfer Controlled Reactions at Liquid-Liquid Interfaces
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2013-04-05
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2013
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
85 + app. 73
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 39/2013
Abstract
Electrochemistry at liquid-liquid interfaces has been a versatile area of contemporary electrochemistry for almost 40 years, with research mainly focusing on the aqueous-organic solution interface. The Galvani potential difference across such an interface, controlling the distribution of ions between the phases, can be generated either chemically or with an external voltage source. An aqueous-organic solvent interface shares similarities with the cell membrane, where several important biological reactions such as photosynthesis or cell respiration take place. Hence electrochemistry at liquid-liquid interfaces is an excellent means to study biomimetic oxygen reduction. In this reaction, proton transfer across the interface controlled by the Galvani potential difference is coupled with electron transfer. Therefore oxygen reduction in the oil phase mediated by an electron donor occurs only at potentials where proton transfer becomes feasible. In this thesis oxygen and hydrogen peroxide reduction by 1,2-diferrocenylethane was investigated. The results show that the reduction of hydrogen peroxide is faster than oxygen reduction, but both reactions were slow due to the low thermodynamic driving force. The reaction rate can be increased by the addition of molecular catalysts, and electrochemistry at liquid-liquid interfaces provides an excellent means to compare the activity and selectivity of the catalysts. Cofacial biscobalt porphyrins, biomimetic analogues of the active centre of cytochrome c oxidase responsible of oxygen reduction in nature, were investigated. Surprisingly, significant amounts of hydrogen peroxide were produced, contradicting previous results. The reaction was shown to proceed to hydrogen peroxide when oxygen was bound to the exo side (dock-on) of the catalyst, while four-electron reduction took place with oxygen bound to the endo side (dock-in) of the molecule. A proof of concept of a novel type of a fuel cell utilising the liquid-liquid interface is presented. In this fuel cell hydrogen is oxidized on the anode as in a conventional fuel cell, but oxygen reduction takes place at the liquid-liquid interface. The redox mediator in the oil phase is regenerated at the cathode, completing the electric circuit. Proton transfer across the interface was also utilised for performing acid catalysed SN1 substitutions on ferrocene methanol. This is a novel method to perform synthesis of organic chemicals, as the presence of protons is controlled by the applied Galvani potential difference. In situ biphasic electrospray ionization mass spectroscopy was demonstrated to be a very efficient way to follow this kind of reactions.Neste-nesterajapintojen sähkökemia on ollut yksi modernin sähkökemian osa-alueista jo lähes 40 vuoden ajan. Tutkimus on pääasiassa keskittynyt varauksensiirtoon veden ja orgaa-nisen liuoksen välisellä rajapinnalla. Faasien välinen galvaanipotentiaaliero, joka kontrolloi ionien jakautumista niiden välillä, saadaan aikaan joko kemiallisesti tai ulkoisella jännite-lähteellä. Monet luonnossa tapahtuvat tärkeät reaktiot, kuten fotosynteesi tai soluhengitys, tapahtuvat solukalvossa, joka muistuttaa veden ja orgaanisen liottimen rajapintaa. Siksi neste-nesterajapintojen sähkökemia on erinomainen tapa tutkia bio- mimeettistä hapen pelkistystä. Hapen pelkistyksessä galvaanipotentiaalieron kontrolloima protonin siirto kytkeytyy yhteen elektroninsiirron kanssa. Happi pelkistyy orgaanisessa faasissa vain, kun faasien välinen galvaanipotentiaaliero on niin suuri, että protoni voi siirtyä rajapinnan yli. Tässä työssä tutkittiin hapen ja vetyperoksidin pelkistämistä 1,2-diferrosenyylietaanilla. Tulokset osoittivat, että vetyperoksidin pelkistys on hapen pelkistystä nopeampaa, mutta molemmat reaktiot ovat hitaita heikon termodynaamisen ajavan voiman takia. Reaktiota voidaan nopeuttaa käyttämällä molekulaarisia katalyyttejä, ja neste-nesterajapintojen sähkökemia on erinomainen tapa vertailla eri katalyyttien selektiivisyyttä ja aktiivisuutta. Työssä tutkittiin sytokromi-c-oksidaasin aktiivista keskusta muistuttavia biskoboltti- porfyriinejä, sillä sytokromi-c-oksidaasi on ainoa luonnollinen happea pelkistävä entsyymi. Yllätykseksemme nämä katalyytit tuottivat merkittäviä määriä vetyperoksidia edellisten tulosten vastaisesti. Tulokset osoittivat, että vetyperoksidia syntyy hapen sitoutuessa katalyytin ulkopuolelle, ja pelkistys vedeksi tapahtuu hapen sitoutuessa bisporfyriinin sisälle, joten hapen pelkistys biskobolttiporfyriineillä tapahtuu ”dock-on/dock-in” mekanismin mukaisesti. Hapen pelkistystä neste-nesterajapinnalla voidaan myös käyttää uudenlaisessa polttokennossa. Kennossa vety hapettuu anodilla kuten tyypillisessäkin polttokennossa, mutta happi pelkistyy neste-nesterajapinnalla. Redoxmediaattori regeneroidaan katodilla, mikä sulkee sähköisen virtapiirin. Protonin siirtoa neste-nesterajapinnan yli voidaan käyttää myös katalysoimaan ferroseenimetanolin SN1-substituutiota. Tässä uudenlaisessa orgaanisten kemikaalien synteesimenetelmässä reaktio voidaan aloittaa tai lopettaa kontrolloimalla galvaanipotentiaalieron avulla katalyytin eli protonin konsentraatiota orgaanisessa faasissa. Kaksifaasinen elektronisuihkuionisaatiomassaspektroskopia osoittautui erinomaiseksi tekniikaksi tämänkaltaisten reaktioiden seurantaan ja reaktiotuotteiden analysointiin.Description
Supervising professor
Kontturi, Kyösti, Prof., Aalto University, Department of Chemistry, FinlandThesis advisor
Murtomäki, Lasse, Dr., Aalto University, Department of Chemistry, FinlandKeywords
liquid-liquid interfaces, electrochemistry, electrocatalysis, oxygen reduction, proton transfer catalysis, fuel cells, proton-coupled electron transfer, neste-nesterajapinnat, sähkökemia, elektrokatalyysi, hapen pelkistys, protoninsiirtokatalyysi, polttokennot, protoninsiirtoon kytketty elektroninsiirto
Other note
Parts
- [Publication 1]: H. Deng, P. Peljo, F. Cortés-Salazar, P. Ge, K. Kontturi and H. H. Girault, Oxygen and hydrogen peroxide reduction by 1,2-diferrocenylethane at a liquid/liquid interface, J. Electroanal. Chem., 681 (2012) 16-23.
- [Publication 2]: P. Peljo, L. Murtomäki, T. Kallio, X.-J. Xu, M. Meyer, C. P. Gros, J. M. Barbe, H. H. Girault, K. Laasonen and K. Kontturi, Biomimetic oxygen reduction by cofacial porphyrins at a liquid-liquid interface, J. Am. Chem. Soc., 134 (2012) 5974-5984.
- [Publication 3]: P. Peljo, L. Qiao, L. Murtomäki, C. Johans, H. H. Girault and K. Kontturi, Electrochemically Controlled Proton-Transfer-Catalyzed Reactions at Liquid–Liquid Interfaces: Nucleophilic Substitution on Ferrocene Methanol, ChemPhysChem, 14 (2013) 311-314.
- [Publication 4]: P. Peljo, T. Rauhala, L. Murtomäki, T. Kallio and K. Kontturi, Oxygen reduction at a water-1,2-dichlorobenzene interface catalyzed by cobalt tetraphenyl porphyrine - A fuel cell approach, Int. J. Hydrogen Energy, 36 (2011) 10033-10043.
- [Publication 5]: P. Peljo and H. H. Girault, Liquid/Liquid Interfaces: Electrochemistry at, in: R. A. Meyers (Ed.), Encyclopedia of Analytical Chemistry, John Wiley and Sons, Inc., Chichester, 2012.
