Inspirés par la photosynthèse, les scientifiques doublent l’efficacité quantique de la réaction

Inspirés par la photosynthèse, les scientifiques doublent l’efficacité quantique de la réaction
Inspirés par la photosynthèse, les scientifiques doublent l’efficacité quantique de la réaction

Le rendement quantique de la réaction, c’est ainsi que les chercheurs mesurent l’efficacité d’une réaction activée par la lumière. Crédit : Anna Zieleniewska.

S’inspirant de la photosynthèse et de la manière dont elle peut atteindre une efficacité élevée dans les plantes, les professeurs Regents Tom Moore et Ana Moore de la School of Molecular Sciences de l’Arizona State University et leurs groupes, ainsi que des collègues du Département de chimie de l’Université de Princeton (y compris les professeurs Gregory Scholes et Robert Knowles), ont introduit un catalyseur bioinspiré qui allonge l’état productif de certaines réactions chimiques.

“Travailler avec les groupes de Princeton de Knowles et Scholes nous a donné de nouvelles perspectives et applications pour nos systèmes photosynthétiques artificiels bioinspirés”, a déclaré Ana Moore. Les professeurs régents Ana et Thomas Moore de l’École des sciences moléculaires de l’ASU. Crédit image: Mary Zhu Télécharger l’image complète

“Dans ce cas, nous avons repensé un photocatalyseur important dans l’industrie chimique en utilisant le principe du transfert d’électrons à couplage de protons (PCET) pour fournir une efficacité catalytique améliorée.

« Le PCET est largement utilisé dans les catalyseurs naturels où les voies de réaction à faible énergie produisant un seul produit sont essentielles. Il est gratifiant de trouver une application pratique pour les constructions PCET que nous avons récemment développées. Améliorer l’efficacité catalytique des réactions qui aboutissent à des composés avec des l’activité pharmacologique pourrait contribuer au développement plus durable d’une industrie chimique plus verte.”

L’équipe a utilisé PCET pour manipuler le photocatalyseur afin de ralentir la recombinaison des charges, imitant essentiellement le processus qui maintient la photosynthèse bourdonnante.

Leur mécanisme cale une étape élémentaire du processus d’un facteur 24 par rapport à un composé de référence. PCET est une classe de réactions impliquant le transfert d’un électron et d’un proton.

Au cœur de cette recherche collaborative se trouve un modèle chimique, une sous-structure PCET, développée par les chercheurs de l’ASU. Le modèle est lié à un complexe d’iridium qui diminue efficacement la force motrice de la recombinaison des charges, prolongeant ainsi l’état actif dans lequel la chimie peut avoir lieu.

Le modèle est basé sur le complexe de développement d’oxygène dans la photosynthèse qui se trouve dans chaque plante, l’enzyme qui produit de l’oxygène pour le monde entier. Il y a deux acides aminés à proximité du complexe dégageant de l’oxygène – la tyrosine liée à l’hydrogène et l’histidine – et ces deux acides aminés éloignent les électrons du complexe dégageant de l’oxygène, par un mécanisme PCET, de sorte que l’enzyme soit capable de produire de l’oxygène.

Les Moores et ses collègues ont créé ce modèle, le benzimidazole-phénol (BIP), qui est chimiquement très similaire à ces deux acides aminés dans la photosynthèse. Ceci est ensuite utilisé pour contrôler la direction du transfert d’électrons en catalyse.

L’article, “PCET-based Ligand Limits Charge Recombination with an Ir(III) Photoredox Catalyst”, vient d’être publié dans le Journal de l’American Chemical Society.

La recherche combine des contributions aux mécanismes de photocatalyse du laboratoire Knowles, de la spectroscopie résolue en temps ultra-rapide du laboratoire Scholes et du modèle BIP des laboratoires de Thomas Moore et Ana Moore.

Centre de recherche sur la frontière énergétique

La recherche répond à l’une des principales priorités du groupe Bioinspired Light-Escalated Chemistry (BioLEC) basé à Princeton, un centre de recherche Energy Frontier créé en 2018 et financé par le ministère de l’Énergie. BioLEC est dirigé par Scholes, professeur de chimie William S. Todd à Princeton et président du département.

“C’est absolument dû au centre. Rob, Tom et Ana étaient les moteurs intellectuels de cette idée”, a déclaré Scholes. “Ici, nous avons ajouté un “circuit” supplémentaire au photocatalyseur moléculaire qui a supprimé la voie de désactivation. Notre circuit sert en quelque sorte de tampon, maintenant les espèces à haute énergie en place jusqu’à ce que le catalyseur puisse initier la réaction chimique. Je pense que c’est un excellent succès.”

“Travailler avec Rob et Greg et les étudiants et post-doctorants du centre s’est avéré encore plus excitant et gratifiant que ce que nous espérions lorsque l’idée a été formulée pour la première fois pour la proposition BioLEC”, ont déclaré les Moores.

Dans la nature, la photosynthèse se produit lorsqu’une plante absorbe de la lumière qui génère une séparation de charge dans son « centre de réaction ». Cette réaction entraîne à la fois l’oxydation de l’eau et la fixation du dioxyde de carbone dans les combustibles utilisés par la plante. La recombinaison des charges court-circuite essentiellement le processus photosynthétique. Ainsi, la nature a développé des moyens de maintenir cette séparation en utilisant des relais redox.

Les chercheurs ont utilisé ces relais très redox dans leur enquête en tant que composants essentiels d’une série d’étapes de transfert d’équivalent redox rapides à courte distance qui rivalisent efficacement avec la recombinaison de charge.

Des processus évolutifs ont sélectionné ces relais redox où, grâce au transfert d’un électron et d’un proton entre deux acides aminés à liaison hydrogène, il peut effectuer des transferts très rapides qui séparent davantage les charges.

En éloignant rapidement les charges, vous empêchez cette recombinaison de charges. Cela conduit à l’efficacité de la photosynthèse. Les chercheurs ont utilisé cette idée.

La structure du modèle BIP développé par les Moores est similaire à ces deux acides aminés.

“Effectivement, des études dans le laboratoire de Scholes sur le catalyseur remanié avec le BIP ont montré une durée de vie plus longue pour l’intermédiaire radicalaire réactif et – voici la preuve dans le pudding – le rendement de la réaction a plus que doublé”, a déclaré Tom Moore. “La nature utilise le PCET en catalyse, et Mère Nature connaît une chose ou deux sur la chimie efficace et durable.”


Une nouvelle chimie affaiblit les liens solides


Plus d’information:
Hannah Sayre et al, PCET-Based Ligand Limits Charge Recombination with an Ir (III) Photoredox Catalyst, Journal de l’American Chemical Society (2021). DOI : 10.1021/jacs.1c01701

Fourni par l’Université d’État de l’Arizona

Citation: Inspiré par la photosynthèse, les scientifiques doublent l’efficacité quantique de réaction (2021, 1er octobre) récupéré le 1er octobre 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-10-photosynthèse-scientists-reaction-quantum-efficiency.html

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