Inspirándose en la fotosíntesis y la forma en que puede lograr una alta eficiencia en las plantas, Los profesores Regents Tom Moore y Ana Moore de la Facultad de Ciencias Moleculares de la Universidad Estatal de Arizona y sus grupos, junto con colegas del Departamento de Química de la Universidad de Princeton (incluidos los profesores Gregory Scholes y Robert Knowles), han introducido un catalizador bioinspirado que alarga el estado productivo de algunas reacciones químicas.

"Trabajar con los grupos de Princeton de Knowles y Scholes nos ha brindado nuevas perspectivas y aplicaciones para nuestros bioinspirados, sistemas fotosintéticos artificiales, ", Dijo Ana Moore. Los profesores Regents Ana y Thomas Moore de la Facultad de Ciencias Moleculares de la ASU. Crédito de la imagen:Mary Zhu Descargar imagen completa

"En este caso, Hemos rediseñado un fotocatalizador importante en la industria química utilizando el principio de transferencia de electrones acoplados a protones (PCET) para proporcionar una eficiencia catalítica mejorada.

"El PCET se usa ampliamente en los catalizadores de la naturaleza donde las vías de reacción de baja energía que producen un solo producto son esenciales. Es gratificante encontrar una aplicación práctica para las construcciones de PCET que hemos desarrollado recientemente. Mejorar la eficiencia catalítica de las reacciones que dan como resultado compuestos con la actividad farmacológica podría contribuir a un desarrollo más sostenible de una industria química más ecológica ".

El equipo empleó PCET para manipular el fotocatalizador con el fin de ralentizar la recombinación de carga, esencialmente imitando el proceso que mantiene la fotosíntesis en marcha.

Su mecanismo detiene un paso elemental en el proceso por un factor de 24 en relación con un compuesto de referencia. PCET es una clase de reacciones que implican la transferencia de un electrón y un protón.

En el centro de esta investigación colaborativa se encuentra un modelo químico, una subestructura PCET, desarrollado por los investigadores aquí en ASU. El modelo está vinculado con un complejo de iridio que efectivamente reduce la fuerza impulsora de la recombinación de carga, prolongando así el estado activo en el que puede tener lugar la química.

El modelo se basa en el complejo que genera oxígeno en la fotosíntesis que se encuentra en cada planta, la enzima que produce oxígeno para todo el mundo. Hay dos aminoácidos cerca del complejo que genera oxígeno (tirosina e histidina con enlaces de hidrógeno) y estos dos aminoácidos transportan electrones lejos del complejo que genera oxígeno, por un mecanismo PCET, para que la enzima pueda producir oxígeno.

Los Moore y sus colegas han hecho este modelo, bencimidazol-fenol (BIP), que es químicamente muy similar a esos dos aminoácidos en la fotosíntesis. Esto luego se usa para controlar la dirección de la transferencia de electrones en la catálisis.

El papel, "El ligando basado en PCET limita la recombinación de la carga con un catalizador fotorredox Ir (III), "se acaba de publicar en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense .

La investigación combina contribuciones a los mecanismos de fotocatálisis del laboratorio Knowles, espectroscopia de resolución ultrarrápida del laboratorio de Scholes, y el modelo BIP de los laboratorios de Thomas Moore y Ana Moore.

Centro de Investigación Energy Frontier

La investigación cumple una de las principales prioridades del grupo Bioinspired Light-Escalated Chemistry (BioLEC) con sede en Princeton, un Centro de Investigación Energy Frontier establecido en 2018 y financiado por el Departamento de Energía. BioLEC está dirigido por Scholes, Profesor de Química William S. Todd de Princeton y presidente del departamento.

"Esto se debió absolutamente al centro. Rob, Tom y Ana fueron los impulsores intelectuales de esta idea, "Scholes dijo." Aquí, Agregamos un "circuito" adicional al fotocatalizador molecular que suprimió la vía de desactivación. Nuestro circuito sirve como una especie de amortiguador, manteniendo las especies de alta energía en su lugar hasta que el catalizador pueda iniciar la reacción química. Creo que es una gran historia de éxito ".

"Trabajar con Rob y Greg y los estudiantes del centro y postdoctorados ha demostrado ser incluso más emocionante y gratificante de lo que esperábamos cuando se formuló la idea por primera vez para la propuesta de BioLEC, "Dijeron los Moore.

En naturaleza, la fotosíntesis ocurre cuando una planta absorbe luz que genera una separación de carga en su "centro de reacción". Esa reacción impulsa tanto la oxidación del agua como la fijación de dióxido de carbono en los combustibles utilizados por la planta. La recombinación de carga esencialmente cortocircuita el proceso fotosintético. Entonces, la naturaleza ha desarrollado formas de mantener esa separación utilizando los llamados relés redox.

Los investigadores utilizaron estos relés muy redox en su investigación como los componentes esenciales de una serie de Pasos rápidos de transferencia equivalente a redox que compiten eficazmente contra la recombinación de carga.

Los procesos evolutivos seleccionaron estos relés redox donde, a través de la transferencia de un electrón y un protón entre dos aminoácidos unidos por enlaces de hidrógeno, puede realizar transferencias realmente rápidas que separan aún más los cargos.

Al separar las cargas más rápidamente, evitas esa recombinación de carga. Eso conduce a la eficiencia de la fotosíntesis. Los investigadores hicieron uso de esa idea.

La estructura del modelo BIP desarrollado por los Moore es similar a esos dos aminoácidos.

"Bastante seguro, Los estudios en el laboratorio de Scholes del catalizador rediseñado con el BIP mostraron una vida útil más larga para el intermedio de radicales reactivos y, aquí está la prueba en el pudín, el rendimiento de la reacción fue más del doble, ", Dijo Tom Moore." La naturaleza usa PCET en catálisis, y la madre naturaleza sabe un par de cosas sobre eficiencia, química sostenible ".