Dr. Thomas Weyhermüller - Chemische Synthese, Röntgenstrukturanalyse, NMR

Dr. Thomas Weyhermüller
Leiter der Gruppe Chemische Synthese, Röntgenstrukturanalyse, NMR
Abteilung Anorganische Spektroskopie

Vita

Diplom (Chemie)Ruhr-Universität Bochum (1989)
Ph.D., wiss. MA
Ruhr-Universität Bochum (1990-1994)
Dr. rer. nat.Ruhr-Universität Bochum (1994)
Gruppenleiter
am MPI CEC (früher: MPI für Bioanorganische Chemie) (seit 1995)

Publications

Full publications list | ORCID | ResearcherID

Selected MPI CEC publications

  • Dinda, S., Patra, S.C., Roy, S., Halder, S., Weyhermüller, T., Pramanik, K., Ganguly, S. (2020). Coligand driven diverse organometallation in benzothiazolyl-hydrazone derivatized pyrene: ortho vs peri C–H activation New Journal of Chemistry https://doi.org/10.1039/c9nj05088d
  • Yogendra, S., Weyhermüller, T., Hahn, A.W., DeBeer, S. (2019). From Ylides to Doubly Yldiide-Bridged Iron(II) High Spin Dimers via Self-Protolysis Inorganic Chemistry 58(14), 9358-9367. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.9b01086
  • Kalläne, S.I., Hahn, A.W., Weyhermüller, T., Bill, E., Neese, F., DeBeer, S., van Gastel, M. (2019). Spectroscopic and Quantum Chemical Investigation of Benzene-1,2- dithiolate-Coordinated Diiron Complexes with Relevance to Dinitrogen Activation Inorganic Chemistry 58(8), 5111-5125. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.9b00177  
  • Bhand, S., Landem D.N., Pereira, E., Gejji, S.P., Weyhermüller, T., Chakravarty, D., Puranik, V.G., Salunke-Gawali, S. (2019). Amphiphilic polypyridyl ruthenium complexes: Synthesis, Characterization and Aggregation studies Polyhedron 164, 96-107. https://doi.org/10.1016/j.poly.2019.02.035
  • Römelt, C., Weyhermüller, T., Wieghardt, K. (2019). Structural characteristics of redox-active pyridine-1,6-diimine complexes: Electronic structures and ligand oxidation levels Coordination Chemistry Reviews 380, 287-317. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2018.09.018
  • Wang, M., Römelt, C., Weyhermüller, T., Wieghardt, K. (2019). Coordination Modes, Oxidation, and Protonation Levels of 2,6-Pyridinediimine and 2,2′:6′,2′́-Terpyridine Ligands in New Complexes of Cobalt, Zirconium, and Ruthenium. An Experimental and Density Functional Theory Computational Study Inorganic Chemistry 58(1), 121-132. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.8b01949
  • Erken, C., Kaithal, A., Sen, S., Weyhermüller, T., Hölscher, M., Werlé, C., Leitner, W. (2018). Manganese-catalyzed hydroboration of carbon dioxide and other challenging carbonyl groups Nature Communications 9, 4521. https://doi.org/10.1038/s41467-018-06831-9
  • Kundu, S., Dutta, D., Maity, S., Weyhermüller, T., Ghosh, P. (2018). Proton-Coupled Oxidation of a Diarylamine: Amido and Aminyl Radical Complexes of Ruthenium(II) Inorganic Chemistry 57(19), 11948-11960. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.8b01401
  • Levin, N., Codesido N.O., Marcolongo, J.P., Alborés, Weyhermüller, T., Olabe, J.A., Slep, L.D. (2018). Remarkable Changes of the Acidity of Bound Nitroxyl (HNO) in the [Ru(Me3[9]aneN3)(L2)(NO)]n+ Family (n = 1-3). Systematic Structural and Chemical Exploration and Bioinorganic Chemistry Implications Inorganic Chemistry 57(19), 12270-12281. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.8b01958
  • Hahn, A.W., Van Kuiken, B.E., Chilkuri, V.G., Levin, N., Bill, E., Weyhermüller, T., Nicolaou, A., Miyawaki, J., Harada, Y., DeBeer, S. (2018). Probing the Valence Electronic Structure of Low-Spin Ferrous and Ferric Complexes Using 2p3d Resonant Inelastic X ray Scattering (RIXS) Inorganic Chemistry 57(37), 11918-11923. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.8b01550
  • Van Kuiken, B.E., Hahn, A.W., Nayyar, B., Schiewer, C.E., Lee, S.C., Meyer, F., Weyhermüller, T., Nicolaou, A., Cui, Y-T., Miyawaki, J., Hatada, Y., DeBeer, S. (2018). Electronic Spectra of Iron-Sulfur Complexes Measured by 2p3d RIXS Spectroscopy Inorganic Chemistry 57(12), 7355-7361. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.8b01010
  • Römelt, C., Ye, S., Bill, E., Weyhermüller, T., van Gastel, M., Neese, F. (2018). Electronic Structure and Spin Multiplicity of Iron Tetraphenylporphyrins in their Reduced States as Determined by a Combination of Resonance Raman Spectroscopy and Quantum Chemistry Inorganic Chemistry 57(4), 2141-2148. doi.org/10.1021/acs.inorgchem.7b03018
  • Rees, J.A., Bjornsson, R., Kowalska, J.K., Lima, F.A., Schlesier, J., Sippel, D., Weyhermüller, T., Einsle, O., Kovacs, J.A., DeBeer, S. (2017). Comparative electronic structures of nitrogenase FeMoco and FeVco Dalton Transactions 46(8), 2445-2455. https://doi.org/10.1039/c7dt00128b
  • Suturina, E.A., Nehrkorn, J., Zadrozny, J.M., Liu, J., Atanasov, M., Weyhermüller, T., Maganas, D., Hill, S., Schnegg, A., Bill, E., Long, J.R., Neese, F. (2017). Magneto-Structural Correlations in Pseudotetrahedral Forms of the [Co(SPh)4]2- Complex Probed by Magnetometry, MCD Spectroscopy, Advanced EPR Techniques, and ab Initio Electronic Structure Calculations Inorganic Chemistry 56(5), 3102-3118. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.7b00097
  • Chowdhury, A.R., Roy, B.G., Jana, S., Weyhermüller, T., Banerjee, P. (2017). A simple cleft shaped hydrazine-functionalized colorimetric new Schiff base chemoreceptor for selective detection of F- in organic solvent through PET signaling: Development of a chemoreceptor based sensor kit for detection of fluoride Sensors and Actuators B: Chemical 241, 706-715. https://doi.org/10.1016/j.snb.2016.10.095
  • Römelt, C., Song, J.S., Tarrago, M., Rees, J.A., van Gastel, M., Weyhermüller, T., DeBeer, S., Bill, E., Neese, F., Ye, S. (2017). Electronic Structure of a Formal Iron(0),Porphyrin Complex Relevant to CO2 Reduction Inorganic Chemistry 56(8), 4745-4750. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.7b00401
  • Manikandamathavan V.M., Thangaraj M., Weyhermüller T., Parameswari R.P., Punitha V., Murthy N.N., Nair B.U. (2017). Novel mononuclear Cu(II) terpyridine complexes: Impact of fused ring thiophene and thiazole head groups towards DNA/BSA interaction, cleavage and antiproliferative activity on HepG2 and triple negative CAL-51 cell line European Journal of Medicinal Chemistry 135(28), 434-446. https://doi.org/10.1016/j.ejmech.2017.04.030
  • Sabenya, G., Lázaro, L., Gambo, I., Martin-Diaconescu, V., Andris, E., Weyhermüller, T., Neese, F., Roithova, J., Bill, E., Lloret-Fillol, J., Costas, M. (2017). Generation, Spectroscopic, and Chemical Characterization of an Octahedral Iron(V)-Nitrido Species with a Neutral Ligand Platform Journal of the American Chemical Society 139(27), 9168-9177. https://doi.org/10.1021/jacs.7b00429
  • Hahn, A.W., Van Kuiken, B.E., al Samarai, M., Atanasov, M., Weyhermüller, T., Cui, Y.T., Miyawaki, J., Harada, Y., Nicolaou, A., DeBeer, S. (2017). Measurement of the Ligand Field Spectra of Ferrous and Ferric Iron Chlorides Using 2p3d RIXS Inorganic Chemistry 56(14), 8203-8211. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.7b00940
  • Kowalska, J.K., Nayyar, B., Rees, J.A., Schiewer, C.E., Lee, S.C., Kovacs, J.A., Meyer, F., Weyhermüller, T., Otero, E., DeBeer, S. (2017). Iron L2,3-edge X-ray Absorption and X-ray Magnetic Circular Dichroism Studies of Molecular Iron Complexes with Relevance to the FeMoco and FeVco Active Sites of Nitrogenase Inorganic Chemistry 56(14), 8147-8158. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.7b00852
  • Khannam, M., Weyhermüller, T., Goswami, U., Mukherjee, C. (2017). A highly stable L-alanine-based mono(aquated) Mn(II) complex as a T1-weighted MRI contrast agent Dalton Transactions 46(31), 10426-10432. https://doi.org/10.1039/c7dt02282d
  • Shit, M., Bera, S., Maity, S., Weyhermüller, T., Ghosh, P. (2017). Coordination of o-benzosemiquinonate, o-iminobenzosemiquinonate and aldimine anion radicals to oxidovanadium(IV) New Journal of Chemistry 41, 4564-4572. https://doi.org/10.1039/c7nj00186j
  • Levin, N. Perdoménico, J., Bill, E., Weyhermüller, T., Slep, L.D. (2017). Pushing the photodelivery of nitric oxide to the visible: are {FeNO}7 complexes good candidates? Dalton Transactions 46(46), 16058-16064. https://doi.org/10.1039/c7dt03142d
  • Shit, M., Bera, S., Maity, S., Maji, S., Weyhermüller, T., Ghosh, P. (2016). Oxidovanadium Complexes of 2,2'-Bipyridine, 1,10 Phenanthroline, and p-Nitro-o-aminophenol - Radical versus Nonradical States European Journal of Inorganic Chemistry 2016(3), 330-338. https://doi.org/10.1002/ejic.201501246
  • Bera, S., Maity, S., Weyhermüller, T., Ghosh, P. (2016). Radical non-radical states of the [Ru(PIQ)] core in complexes (PIQ=9,10-phenanthreneiminoquinone) Dalton Transactions 45(19), 8236-8247. https://doi.org/10.1039/c6dt00091f
  • Bera, S., Mondal, S., Maity, S., Weyhermüller, T., Ghosh, P. (2016). Radical and Non-Radical States of the [Os(PIQ)] Core (PIQ = 9,10-Phenanthreneiminoquinone): Iminosemiquinone to Iminoquinone Conversion Promoted o-Metalation Reaction Inorganic Chemistry 55(10), 4746-4756. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.6b00040
  • Wang, M., Weyhermüller, T., Bill, E., Ye, S., Wieghardt, K. (2016). Structural and Spectroscopic Characterization of Rhenium Complexes Containing Neutral, Monoanionic, and Dianionic Ligands of 2,2'-Bipyridines and 2,2':6,2''-Terpyridines: An Experimental and Density Functional Theory (DFT)-Computational Study Inorganic Chemistry 55(10), 5019-5036. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.6b00609
  • Dar, U.A., Shand, S., Lande, D.N., Rao, S.S., Patil, Y.P., Gejji, S.P., Nethaji, M., Weyhermüller, T., Salunke-Gawali, S. (2016). Molecular structures of 2-hydroxy-1,4-naphthoqinone derivatives and their zinc(II) complexes: Combining experiment and density functional theory Polyhedron 113, 61 72. https://doi.org/10.1016/j.poly.2016.04.002
  • Bhand, S., Patil, R., Shinde, Y., Lande, D.N., Rao, S.S., Kathawate, L., Gejji, S.P., Weyhermüller, T., Salunke-Gawali, S. (2016). Tautomerism in o-hydroxyanilino-1,4-naphthoquinone derivatives: Structure, NMR, HPLC and density functional theoretic investigations Journal of Molecular Structure 1123, 245-260. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2016.06.026
  • Kundu, S., Mondal, A., Weyhermüller, T., Sproules, S., Ghosh, P. (2016). Molecular and electronic structures of copper-cuprizone and analogues Inorganica Chimica Acta 451, 23-30. https://doi.org/10.1016/j.ica.2016.06.040
  • Maity, S., Kundu, S., Bera, S., Weyhermüller, T., Ghosh, P. (2016). Mixed-Valence o-Iminobenzoquinone and o-Iminobenzosemiquinonate Anion Radical Complexes of Cobalt: Valence Tautomerism European Journal of Inorganic Chemistry 2016(22), 3680-3690. https://doi.org/10.1002/ejic.201600525
  • Maity, S., Kundu, S., Bera, S., Weyhermüller, T., Ghosh, P. (2016). o-Iminobenzoquinone and o-Iminobenzosemiquinonate Anion Radical Complexes of Rhodium and Ruthenium European Journal of Inorganic Chemistry 2016(22), 3691-3697. https://doi.org/10.1002/ejic.201600526
  • Levin, N., Codesido, N.O., Bill, E., Weyhermüller, T., Gaspari, A.P.S., da Silva, R.S., Olabe, J.A., Slep, L.D. (2016). Structural, Spectroscopic, and Photochemical Investigation of an Octahedral NO Releasing {RuNO}7 Species Inorganic Chemistry 55(16), 7808-7810. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.6b00719
  • Shit, M., Maity, S., Bera, S., Weyhermüller, T., Ghosh, P. (2016). Coordination of o-benzosemiquinonate, o-iminobenzosemiquinonate, 4,4'-di-tert-butyl-2,2'-bipyridine and 1,10-phenanthroline anion radicals to oxidovanadium(IV) New Journal of Chemistry 40(12), 10305-10315. https://doi.org/10.1039/c6nj02220k
  • Bera, S., Maity, S., Weyhermüller, T., Ghosh, P. (2016). Arylamino radical complexes of ruthenium and osmium: dual radical counter in a molecule Dalton Transactions 45(48), 19428-19440. https://doi.org/10.1039/c6dt03728c

Gruppenmitglieder

Labor

  • Dagmar Merkl
  • Fabian Otto

Chemische Synthese, Röntgenstrukturanalyse, NMR

Molekulare Modelle, elektronische Struktur und Funktion

Die chemische Aktivierung kleiner Moleküle wie CO2, CH4 und N2 ist ein grundlegendes Forschungsthema in der Energieforschung. Bereits in naher Zukunft werden riesige Mengen dieser einfach verfügbaren Ausgangsstoffe mit Hilfe erneuerbarer Energien in Produkte für die chemische- und die Agrarindustrie umgewandelt werden. Metallhaltige Katalysatoren werden benötigt um diese Umsetzungen kinetisch und energetisch effizient und selektiv durchführen zu können. Wir sind der Meinung, dass ein detailliertes Verständnis der mechanistischen Abläufe und der elektronischen Struktur solcher katalytischer Systeme die Entwicklung neuer, besserer Katalysatoren unterstützt. Unser Ansatz besteht darin, spektroskopische Methoden (EPR- MCD, Mössbauer, Resonanz Raman, Röntgenspektroskopie) mit quantenchemischen Rechnungen zu kombinieren, um die elektronische und chemische Struktur von katalytisch aktiven Zentren zu ermitteln. Die Kombination von Spektroskopie und Theorie erlaubt die Interpretation sogar von sehr komplexen spektroskopischen Daten und ermöglicht es damit, fast immer die gewünschte chemische Information zu erhalten.

Die Forschung in meiner Gruppe konzentriert sich auf die Synthese kleiner molekularer Modellkomplexe für die spektroskopische Untersuchung. Systematische Variationen von strukturellen oder elektronischen Merkmalen in einer Serie von Verbindungen mit sonst gleichem Grundgerüst erlauben es, die spektrale Antwort auf diese Änderungen zu untersuchen. Unsere Verbindungen werden typischerweise mittels Standardmethoden analysiert (Elementaranalyse, FTIR, UV-vis, NMR, XRD) bevor sie, wie oben beschrieben, weiter spektroskopisch untersucht werden. Diese Modellverbindungen, deren Struktur und Zusammensetzung  sehr genau bekannt ist, erlauben es, verlässliche und hochaufgelöste spektroskopische Daten zu sammeln die es aussderdem ermöglichen, neu entwickelte quantenchemische Verfahren zu überprüfen und zu kalibrieren. Im Folgenden werden zwei Beispiele derzeitiger Forschungsprojekte angesprochen.

Modellierung des zentralen Kohlenstoffatoms in der Nitrogenase

Nitrogenase ist ein bakteielles Enzym das die Umwandlung von Luftstickstoff zu Ammoniak katalysiert, welches wiederum die primäre Quelle für die Biosynthese von überlebenswichtigen stickstoffhaltigen Verbindungen wie Aminosäuren und Nucleobasen ist. Die chemische Aktivierung von Stickstoff stellt eine enorme Herausforderung dar, da das Stickstoffmolekül mit seiner N-N-Dreifachbindung das reaktionsträgste zweiatomige Molekül überhaupt ist. Wir haben mittlerweile eine Menge über den Aufbau und die Chemie der Nitrogenase gelernt, aber die genaue elektronische Struktur, der katalytische Mechanismus, die Funktion des zentralen Kohlenstoffatoms1 oder des Molydänatoms im FeMoco Faktor liegt weiterhin im Dunkeln. Einer der metallhaltigen Kofaktoren der Nitrogenase, FeMoco, wurde als katalytisch aktives Zentrum des Enzyms identifiziert an dem der Stickstoff gebunden und zu Ammoniak umgesetzt wird. Er besteht im Wesentlichen aus sieben Eisen-, einem Molybdänzentrum, neun Sulfidionen und einem zentralen Carbidion (s. Struktur I in Abb. 1).

Nachdem wir bisher an Modellkomplexen gearbeitet haben die den Oxidationszustand des Molybdäns im Grundzustand des FeMoco beleuchten,2 haben wir ein neues Projekt gestartet, in dem wir versuchen, Eisencluster mit verbrückendem Kohlenstoff zu synthetisieren um das zentrale Carbid im FeMoco zu modellieren. Es wurden bisher nur sehr wenige Beispiele solcher Verbindungen in der Literatur berichtet (s. Abb.1, z.B. II-IV). Verfahren, die die Einführung eines C-basierten Liganden erlauben, der an mehr als ein Eisenzentrum gebunden ist (µ2-6-C), sind rar, was den Mangel an geeigneten Modellverbindung erklärt.

Wir haben Ylide als interessante neue Verbindungsklasse indentifiziert um C-verbrückte Komplexe herzustellen und untersucht, wie Ylide mit Fe(II)diamido Verbindungen, wie etwa [Fe(N(SiMe3)2)2], reagieren. Die Reaktionsprodukte sind zunächst dreifachkoordinierte, einkernige, hochreaktive Fe(II)-Komplexe des Typs A, oder allgemeiner formuliert E (s. Abb. 1 unten). Weitere Experimente zeigen, dass E bei erhöhten Temperaturen einer Protolysereaktion unterliegen kann, da sich ein an dem Ylid-Kohlenstoff gebundenes acides Proton in direkter Nachbarschaft zu einer starken Base befindet und damit, unter Abspaltung von HL, der Aufbau zweikerniger doppelt Ylid-verbrückter Komplexe vom Typ F möglich ist.

Die Komplexe 1 und 2 repräsentieren die ersten beiden Beispiele zweikerniger Ylid-verbrückter Fe2C2 “diamond core“ Verbindungen in der Literatur3a (s. Abb. 2). Die Fe-C-Fe Winkel sind mit ca. 78.5° sehr eng und der Fe…Fe Abstand fällt mit ~2.58 Å sehr kurz aus. Mössbauer- und Röntgenabsorptionsspektren beweisen im Zusammenhang mit temperaturabhängigen Suszeptibilitätsmessungen, dass es sich um stark antiferromagnetisch gekoppelte high-spin Fe(II) Dimere handelt. Dichtefunktionalrechnungen (DFT) reproduzieren diese experimentellen Daten sehr gut und schließen eine signifikante Metall-Metall Bindung aus.

Wir setzen dieses Projekt mit schwefelhaltigen Liganden ähnlichen Typs fort, da sie die Schwefel-Kohlenstoff Umgebung der Eisenzentren im FeMoco besser modellieren und haben bereits erfolgreich zweikernige Eisenkomplexe mit einer verzerrt tetraedrischen C2S2 Umgebung und trigonal bipyramidalen Koordinationsschale. Eine Publikation mit einer vollständigen Charkterisierung dieser Verbindungen incl. einer DFT-Studie sind in Vorbereitung.3b

Röntgenstrukturanalyse

In enger Zusammenarbeit mit der Abteilung für Strukturanalyse des MPI für Kohlenforschung bietet meine Gruppe den Service für die Strukturaufklärung von Verbindungen aus unserem Institut an. Die Forschung an neuen Übergangsmetallverbindungen für die Katalyse, oder für spektroskopische Untersuchen, ist auf die Strukturbestimmung mittels Röntgenbeugung an Einkristallen angewiesen, da Selbstorganisationseffekte die Koordinationschemie oft dominieren und die gezielte Synthese von Zielverbindungen oft nur eingeschränkt möglich ist. Die Röntgenstrukturanalyse liefert hochpräzise Informationen über die dreidimensionale Anordnung der Atome und produziert genaue Bindungslängen und Bindungswinkel, die von eneormer Bedeutung für das Verständnis der chemischen Eigenschaften einer Verbindung sind. Da es aber unser Ziel ist, experimentell bestimmbare Eigenschaften mit strukturellen Merkmalen zu korrelieren, ist die Röntgenstrukturanalyse von überragendem Interesse in unsererm Forschungszweig.

Als ein Beispiel dafür, zeigt Abbildung 3 zwei Kistallstrukturen aus einer neueren Veröffentlichung4 der Abteilung für Molekulare Katalyse (Prof. Leitner), in der der Katalysator 1 bei der Reaktion mit Pinacolboran in einer KOtBu/THF Lösung ein Intermediat 2 bildet, das die reduktive Hydroborierung von aliphatischen und aromatischen Carbonsäuren und sogar CO2 höchst effizient katalysiert.

Referenzen

[1] a) Lancaster, K. M.; Roemelt, M.; Ettenhuber, P.; Hu, Y.; Ribbe, M. W.; Neese, F.; Bergmann, U.; DeBeer, S., X-ray Emission Spectroscopy Evidences a Central Carbon in the Nitrogenase Iron-Molybdenum Cofactor. Science 2011, 334 (6058), 974.
b) Spatzal, T.; Aksoyoglu, M.; Zhang, L.; Andrade, S. L. A.; Schleicher, E.; Weber, S.; Rees, D. C.; Einsle, O., Evidence for Interstitial Carbon in Nitrogenase FeMo Cofactor. Science 2011, 334 (6058), 940-940.

[2] a) R. Bjornsson, F.A. Lima, T. Weyhermüller, P. Glatzel, T. Spatzal, O. Einsle, E. Bill, F. Neese, S. DeBeer: Identification of a spin-coupled Mo(III) in the Nitrogenase Iron-Molybdenum Cofactor. Chem. Sci. 2014, 5, 3096-3103.
b) R. Bjornsson, M.U. Delgado-Jaime, F.A. Lima, D. Sippel, J. Schlesier, T. Weyhermüller, O. Einsle, F. Neese, S. DeBeer: Mo L-Edge Spectra of MoFe Nitrogenase. Z. Anorg. Allg. Chem. 2015, 65-71

[3] a) S. Yogendra, T. Weyhermüller, A.W. Hahn, S. DeBeer: From Ylides to Doubly Yldiide-Bridged Iron(II) High Spin Dimers via Self-Protolysis. Inorg. Chem. 2019 ,58, 9358-9367
b) manuscript in preparation

[4] A. Kaithal, S. Sen, C. Erken, T. Weyhermüller, M. Hölscher, C. Werlé, W. Leitner: Manganese-Catalysed Hydroboration of Carboxylic Acids, Carbonates, and Carbon Dioxide. Nature Communications 2018, 9, Art. 4521; DOI: 10.1038/s41467-018-06831-9