Исследование кольцеобразных молекул

Кольцеобразные молекулы, известные как порфирины, потенциально могут быть эффективными катализаторами.

Потребности общества в энергии

Удовлетворение растущих потребностей общества в энергии стало сложной задачей для человечества. Ожидается, что спрос на энергию почти удвоится к 2050 году, в то время как последствия изменения климата, вызванные сжиганием ископаемого топлива, уже наносят ущерб в виде засух, лесных пожаров, наводнений и других бедствий.

Гэри Мур и его коллеги описывают использование кольцеобразных молекул, известных как порфирины, которые показаны на этом рисунке. Такие молекулы, среди наиболее распространенных в природе пигментов, известны своей способностью ускорять или катализировать химические реакции, в том числе важные реакции, протекающие в живых системах. Они являются полезными компонентами для создания искусственных фотосинтетических систем. Предоставлено: обложка журнала Джейсона Дриса.

Гэри Мур, исследователь из Центра биодизайна Аризонского государственного университета прикладных структурных исследований и Школы молекулярных наук Университета штата Аризона, считает, что химия будет играть жизненно важную роль в разработке экологически чистых решений растущей мировой энергетической дилеммы.

• В исследовании, опубликованном на обложке журнала ChemElectroChem, Мур и его коллеги описывают использование кольцеобразных молекул, известных как порфирины. Такие молекулы, среди наиболее распространенных в природе пигментов, известны своей способностью ускорять или катализировать химические реакции, в том числе важные реакции, протекающие в живых системах.
• Среди этих реакций — преобразование лучистой энергии солнца в химическую энергию, хранящуюся в молекулярных связях, процесс, используемый растениями и фотосинтезирующими микробами. Затем эту химическую энергию можно использовать для подпитки метаболизма организма посредством процесса клеточного дыхания.
• Такие исследователи, как Мур, надеются последовать примеру природы, создав синтетические аналоги естественных процессов фотосинтеза. Новое исследование описывает синтетический дижелезосодержащий порфирин и исследует его потенциал в качестве эффективного катализатора.

«Вместо того, чтобы использовать продукты естественного фотосинтеза, наши знания о фотосинтезе могут вдохновить нас на создание новых материалов и технологий, свойства и возможности которых не уступают их биологическим аналогам», — сказал Мур.

Порфирины и их структурно родственные аналоги широко распространены в биологическом мире. Они действуют, связывая ряд ионов металлов для выполнения обширных клеточных задач.

Молекулы хлорофилла, например, связывают магний (важный химический этап фотосинтеза растений), а гем — железосодержащий порфирин — помогает организовать перенос молекулярного кислорода и углекислого газа и обеспечивает необходимые цепи переноса электронов, необходимые для клеточного дыхания. Из-за своей доминирующей роли в жизненных процессах аномалии порфиринов ответственны за ряд серьезных заболеваний.

Порфирины также можно использовать в качестве катализаторов в синтетических устройствах, известных как электрохимические элементы, которые преобразуют химическую энергию в электрическую или наоборот. Хотя лучистая энергия солнца может накапливаться в батареях обычных типов, такие приложения ограничены их низкой плотностью энергии по сравнению с топливом, используемым для современного транспорта.

Искусственные фотосинтетические системы

Усилия Мура по разработке искусственных фотосинтетических систем могут стать ценным элементом головоломки возобновляемых источников энергии, производя «не ископаемое» топливо, а также ряд полезных товаров.

Такие устройства позволят улавливать и хранить солнечную энергию для использования, когда и где это необходимо, и могут быть созданы с использованием химических веществ, которые намного дешевле и более распространены, чем материалы, используемые в настоящее время для обычных приложений солнечной энергии.

Бумага была выбрана для обложки текущего номера журнала с описательной графикой, созданной Джейсоном Дрисом, ведущим разработчиком мультимедиа в ASU, и является частью специальной коллекции, посвященной профессору Жану-Мишелю Савану.

Источник

Метки: Катализаторы