Фотосинтез

«Фотосинтез». Запропонуйте систему фотосинтезу, що ґрунтується на фотосинтетичних пігментах, які не містять порфіриновий цикл.

Фотоси́нтез (від грец. φωτο- — світло та грец. σύνθεσις — синтез, сукупність) — процес синтезу органічних сполук з вуглекислого газу та води з використанням енергії світла. Це надзвичайно складний процес, що включає довгу послідовність координованих біохімічних реакцій.

Фотосинтез рослин здійснюється в хлоропластах. Вони можуть бути в клітинах плодів, стебел, проте основним органом фотосинтезу, анатомічно пристосованим до його здійснення, є листя. Важливу роль в процесі фотосинтезу відіграють зелені пігменти – хлорофіли. На даний час відомо біля десяти хлорофілів. Вони відрізняються за складом, кольором, поширенням серед живих організмів. Найважливіші з них хлорофіл а та хлорофіл b. За хімічним складом хлорофіли – магнієві комплекси різних тетрапіролів. Вони мають порфіринову структуру.

Порфіринова структура хлорофілу

Рис. 1. Порфіринова структура хлорофілу

Для того, щоб дати відповідь на поставлену задачу коротко розглянемо світлову фазу фотосинтезу, в якій беруть участь пігменти з порфіриновим циклом.

Квант світла потрапляє на хлорофіл а, вибиває з нього електрон. Цей електрон далі в кінцевому підсумку потрапляє в фотосистему ІІ, а позбавлений його хлорофіл а, ставши сильним окисником, забирає через мангановмісний водооксинюючий комплекс електрони у води, в результаті чого і утворюється кисень.

Ми пропонуємо вашій увазі систему. яка повністю імітує фотосистему ІІ. Принципова схема даної системи зображена на рисунку

Штучна схема фотосинтезу

Рис. 2. Схема роботи штучної фотосистеми для окиснення води

В якості водоокиснюючого комплексу ми використали комплекс рутенію з  2,2′-біпіридин-6,6′-дикарбоновою кислотою (bda) та 1,4-біс(пірид-3-іл)бензеном (bpb).

complex1

Рис. 3. Водоокиснюючий комплекс рутенію [Ru(bda)bpb]3

Фотосенсибілізатором виступає інший комплекс рутенію з біпіридином

complex2

Рис. 4. Фотосенсибілізуючий комплекс рутенію [Ru(bpy)3]2+

Принцип роботи наступний. Фотон вибиває електрон з фотосенсибілізатора. Електрон йде до зовнішнього акцептора, натрій пероксодисульфату (S2O82- + 2e → 2SO42-), а дірка, яка в нашому випадку представлена атомом Рутенію зі ступенем окиснення (+3) , окиснює каталізатор, який в свою чергу відбирає електрон від води. Таким чином, сумарне рівняння реакції має вигляд:

S2O82- + H2O → 2SO42- + 1/2O2 + 2H+

Отже, теоретично пігменти з порфіриновим циклом можна замінити на комплекси Рутенію.

Висновки.

  1. Пігменти з порфіриновим циклом беруть участь в світловій фазі фотосинтезу, в якій відбувається окиснення води і транспорт електронів та протонів.
  2. В якості фотосенсибілазотора та водоокиснюючого комплексу можна використати комплекси [Ru(bpy)3]Cl2 та [Ru(bda)bpb]3 відповідно.
  3. Дана система є аналогом фотосистеми ІІ та теоретично може бути використана для проведення штучного фотосинтезу.
  4. Переваги даної системи:
  • каталізатор [Ru(bda)bpb]3 дуже активний. В фотохімічному процесі виділення кисню спостерігається вже при концентрації 90 нмоль/л;
  • за рахунок того, що атоми рутенію зв’язані полідентатними лігандами даний комплекс дуже стабільний.
  1. Недоліки порівняно з процесом фотосинтезу, який відбувається у природі: все, що на сьогоднішній день може дати людство, – це за допомогою не самого дешевого металу Рутенію (в природі працює дешевий Манган) в кислому середовищі і 60%-го ацетонітрилу (органічний розчинник, який не потрібно хлоропластам) дати десятки мікромолей кисню в секунду. Зате є до чого прагнути!

Додати коментар

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *