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.

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

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).

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

Фотосенсибілізатором виступає інший комплекс рутенію з біпіридином

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

Принцип роботи наступний. Фотон вибиває електрон з фотосенсибілізатора. Електрон йде до зовнішнього акцептора, натрій пероксодисульфату (S₂O₈^2- + 2e^– → 2SO₄^2-), 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:

S₂O₈^2- + H₂O → 2SO₄^2- + 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.

5. 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!