Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation

Transcriptie

1 Cover Page The handle holds various files of this Leiden University dissertation Author: Limburg, Bart Title: Photocatalytic redox reactions at the surface of liposomes Issue Date:

2 Inleiding Samenvatting Fotokatalytische redoxreacties op het oppervlak van liposomen In de nabije toekomst zullen de huidige energiebronnen gebaseerd op fossiele brandstoffen niet meer aan de vraag van onze energie-hongerige maatschappij kunnen voldoen. Alternatieve manieren om energie op te wekken zijn de enige optie om ook in de toekomst de wereld van energie te kunnen voorzien. 1 Duurzame energiebronnen zoals wind of (stromend) water kunnen niet genoeg energie opwekken om aan de toenemende vraag naar energie te voldoen. De enige echt duurzame bron van energie is gebaseerd op de zon in de vorm van (zichtbaar) licht. Het gebruik van zonne-energie wordt al decennia intensief bestudeerd door de academische gemeenschap. Hedendaags kan men efficiënt zonlicht gebruiken voor opwekking van elektriciteit door middel van zonnepanelen. De prijs van deze zonnepanelen is echter hoog en de energie die gedurende de dag door deze panelen wordt opgewekt kan niet worden opgeslagen voor gebruik gedurende de nacht door de hoge kosten van de daarvoor benodigde grote batterijen. Het opslagprobleem vormt daardoor een discrepantie tussen de vraag en de productie van energie en daarom zijn er alternatieve methoden nodig om energie op te wekken en op te slaan. Eén alternatieve methode is om zonlicht te gebruiken op een manier zoals dat in de natuur wordt gedaan. In natuurlijke fotosynthese wordt de energie van zichtbaar licht direct gebruikt om redoxreacties uit te voeren, waardoor moleculen met hoge potentiële energie (zoals elementair zuurstof en suikers) worden geproduceerd uit moleculen met lage potentiële energie (zoals water en koolstofdioxide). De opeenvolging van reacties die nodig is voor zulke omzettingen is echter erg gecompliceerd. Een simpelere reactie, de fotochemische omzetting van water naar elementair waterstof en zuurstof, is uitgebreid bestudeerd in homogene oplossing en op het oppervlak van halfgeleiders. Tot nu toe zijn de enige goed werkende fotokatalytische systemen gebaseerd op halfgeleidende materialen met katalysatoren voor de productie van H 2 en O 2 gebonden aan het oppervlak. 2,3 In homogene oplossing zijn alleen de afzonderlijke halfreacties, wateroxidatie en protonreductie, gerapporteerd met gebruik van respectievelijk zogenaamde sacrificial oxidanten of reductanten. 245

3 Samenvatting De chemisch meest ingewikkelde halfreactie van de twee is wateroxidatie, het onderwerp van dit proefschrift. In deze reactie moeten 4 protonen en 4 elektronen uit twee moleculen water worden gehaald; een molecuul dat deze reactie katalyseert moet dus ten minste drie intermediairen kunnen stabiliseren. Er is veel onderzoek gedaan naar de ontwikkeling van zulke katalysatoren die de wateroxidatiereactie snel kunnen uitvoeren zonder ontleding van de katalysator. In de afgelopen decennia zijn er vele wateroxidatiekatalysatoren gerapporteerd gebaseerd op Mn, Ru, Ir, Co, Fe, Ni en Cu. 4 De katalysatoren met de beste prestaties en grootste stabiliteit zijn gebaseerd op Ru en Ir. Een standaard manier om potentiële moleculaire katalysatoren te testen is door het molecuul toe te voegen aan een oplossing met grote hoeveelheden van een sacrificial oxidant (zoals Ce IV ) en de productie van O 2 te volgen in de tijd. Vergeleken met deze puur chemische manier van testen is er weinig onderzoek gedaan naar de ontwikkeling van een stabiel fotokatalytisch systeem waarin dit soort katalysatoren en een photosensitizer (PS) worden gebruikt onder bestraling met (zichtbaar) licht. Dergelijke photosensitizers kunnen na absorptie van licht een electron overdragen naar een elektronenacceptor, waarna de PS een oxidant wordt. In fotokatalytische systemen wordt de sacrificial oxidant dus ter plekke gemaakt. Omdat zichtbaar licht als energiebron wordt gebruikt om door middel van een redoxreactie één elektron en één proton te scheiden van water kunnen de elementaire reacties in de stapsgewijze oxidatie van water niet tegelijk gebeuren: voor elke stap is een nieuw foton nodig en dus een nieuwe interactie tussen de katalysator en de photosensitizer. Hierdoor zijn de intermediairen die tijdens wateroxidatie worden gevormd gedurende langere tijd aanwezig in het reactiemengsel, ten opzichte van de tijd die nodig is voor de fotochemische reacties. Het probleem is dat deze intermediairen genoeg potentiële energie bezitten om reacties met elkaar te ondergaan, omdat hun vorming is veroorzaakt door de energie van een foton. Aangezien deze intermediairen ongehinderd kunnen rondbewegen in homogene oplossing is de kans groot dat zij met elkaar in aanraking kunnen komen voordat de vervolgreactie kan plaatsvinden, waardoor de ladingen die met behulp van een foton waren gescheiden weer recombineren. In fotokatalyse gecombineerd met wateroxidatie moeten dergelijke recombinatiereacties dus worden vermeden. In de natuur wordt dit probleem verholpen door een opeenvolging van gerichte elektronenoverdrachtsreacties. In het thylakoïde membraan van chloroplasten voeren de fotosystemen I en II 246

4 beiden elektronenoverdrachtsreacties uit waardoor uiteindelijk water wordt geoxideerd en NADP+ wordt omgezet in NADPH. Een elektronenrelais gebaseerd op een quinon brengt de elektronen van fotosysteem II naar I. In dit proefschrift rapporteren wij biomimetische redoxreacties uitgevoerd op het oppervlak van liposomen, het simpelste kunstmatige model van een biologisch membraan. De verschillende systemen die zijn onderzocht worden schematisch weergegeven in Figuur 1. Figuur 1. Schematische weergave van de in dit proefschrift beschreven systemen die bestudeerd zijn voor fotokatalytische reacties. In Hoofdstuk 3 en 4 is beschreven hoe een photosensitizer is gebonden aan het membraan van een liposoom en hoe de fotokatalytische elektronenoverdracht van een elektronen-donor (ED) naar een elektronen-acceptor (EA), beide in de waterige oplossing buiten het liposoom, plaatsvindt. In Hoofdstuk 5 is beschreven hoe het membraan van de liposomen gebruikt werd om de ED binnenin het liposoom en EA in de oplossing buiten het liposoom van elkaar te scheiden. Een elektronenrelais (ER) was nodig om te elektronen van binnenin het liposoom naar buiten te brengen. Tenslotte is de ED vervangen door een katalysator voor wateroxidatie (cat); de fotokatalytische wateroxidatie op het oppervlak van het liposoom is beschreven in Hoofdstuk 7. Fotokatalytische reductie op het oppervlak van liposomen (Hfst 3 en 4) Om dichterbij het doel van gerichte elektronenoverdracht te geraken is het effect van geladen liposomen op een simpele fotokatalytische reactie bestudeerd. In deze reactie worden één of twee elektronen overgedragen naar een elektronenacceptor waardoor een gekleurd product wordt gevormd. Hierbij is een sacrificial elektronendonor gebruikt om de katalytische cyclus te voltooien (Figuur 1 links). Twee fotogeïnitieerde elektronenoverdrachtsreacties zijn bestudeerd: de fotoreductie van methylviologen (MV2+, Schema 1) door cysteïne (CysSH) en de fotoreductie van 5,5'-dithiobis(2-nitrobenzoëzuur) (H2DTNB, Schema 1) door triethanolamine (TEOA). Respectievelijk werden of negatief geladen of positief geladen wateroplosbare zinkporfyrines gebruikt als 247

5 Samenvatting photosensitizers, welke door elektrostatische interacties spontaan adsorberen aan het geladen oppervlak van een liposoom. In deze systemen werd de lading van het liposoom zodanig gekozen dat de lading gelijkpolig was aan die van de elektronenacceptor en tegenpolig aan die van de photosensitizer. Onder zulke omstandigheden bleek dat het toevoegen van liposomen leidde tot een verhoging van het quantumrendement van de vorming van het gereduceerde product, wat grotendeels werd veroorzaakt door het voorkomen van ongewenste statische uitdoving van de porfyrine door de elektronenacceptor, dat wil zeggen door de destabilisatie van de PS:EA complexen. Door hun grotere afmetingen en bijkomende sterke elektrostatische interacties binden de liposomen sterker met de photosensitizer dan de elektronenacceptor, wat zorgt voor een positief effect op de fotokatalytische reactie. Schema 1. De structuur van de elektronenacceptoren die zijn gebruikt in Hoofdstuk 3 tot en met 5, en de bijbehorende 1- of 2-elektron reducties. In Hoofdstuk 4 wordt het mechanisme en de gedetailleerde kinetiek van de reacties in Hoofdstuk 3 beschreven, in af- of aanwezigheid van liposomen. De resultaten laten zien dat de aanwezigheid van geladen liposomen van grote invloed is op de reactiesnelheid van oxidatieve uitdoving van de aangeslagen photosensitizer door de elektronenacceptor: de snelheid van deze gewenste reactie bleek meerdere ordes van grootte te verminderen wanneer liposomen werden toegevoegd aan de reactie. Dit effect kan worden verklaard door de afstoting van de elektronenacceptor van het liposoom met gelijkpolige lading, waardoor de elektronacceptor niet dichtbij de aangeslagen photosensitizer kan komen. Door deze vermindering van de snelheid van oxidatieve uitdoving is het quantumrendement van de reductie van MV 2+ lager bij lage MV 2+ -concentratie, 248

6 dat wil zeggen bij een concentratie waar ongewenste statische uitdoving verwaarloosbaar is onder homogene condities. Bij hogere MV 2+ concentraties zijn de quantumrendementen van oxidatieve uitdoving bijna 100% op het oppervlak van liposomen of in homogene oplossing, waardoor het belangrijkste effect dat de efficiëntie beïnvloedt de ongewenste statische uitdoving is. Voor de fotoreductie van DTNB 2 is de vermindering van de reactiesnelheid van oxidatieve uitdoving zo sterk dat het mechanisme van de fotokatalytische reductie verandert van oxidatieve uitdoving in homogene oplossing naar reductieve uitdoving op het oppervlak van de liposomen. Liposomen hebben dus een grote invloed op de reactiesnelheid van elementaire reacties en vooral op de reactiesnelheid van oxidatieve uitdoving, omdat het molecuul dat voor de uitdoving zorgt van het gelijkpolig-geladen membraan wordt weggehouden. Elektronenoverdracht over een dubbellaags lipidemembraan De twee systemen die zijn beschreven in de Hoofdstukken 3 en 4 maken gebruik van maar één kant van het dubbellaags lipidemembraan. In de natuur wordt de elektronenoverdracht echter door het membraan heen uitgevoerd, om zo de recombinatiereactie zoveel mogelijk te voorkomen. In Hoofdstuk 5 is daarom de elektronenoverdracht in een systeem waarbij de membraan-onoplosbare ED en EA ruimtelijk gescheiden waren door het membraan van een liposoom beschreven (Figuur 1, midden). Bij het ontwerp van dit systeem waren wij geïnspireerd door een methode om cellen te tellen genaamd WST-1. In deze analyse worden elektronen getransporteerd vanuit NADH in de cel naar WST1 moleculen daarbuiten. Om dit te bewerkstelligen is een elektronenrelais nodig dat oplosbaar is in water als ook in het membraan van het liposoom, om zo de elektronen door het membraan te vervoeren omdat NADH en WST1 niet door het biologische membraan heen kunnen. In de experimenten beschreven in Hoofdstuk 5 is de biologische reductor NADH vervangen door de sacrificial elektronendonor HEDTA 3, dat werd ingesloten in de (neutraal-geladen) liposomen. Verder werd een porfyrine-gebaseerde photosensitizer in het membraan verankerd door middel van een alkylstaart (zie Figuur 2). Bij excitatie van de porfyrines aan de binnenkant van het liposoom met zichtbaar licht werden elektronen overgedragen van de elektrondonor naar het elektronenrelais 1-methoxy-N-methylpyrazinium (MMP + ) met de vorming van MMPH. Dit MMPH bracht de elektronen, net zoals in de methode om cellen te tellen, naar buiten het liposoom, waar het de elektronenacceptor WST1 reduceerde naar Fz1. In afwezigheid van MMP + werd de reductie van WST1 niet waargenomen. Daarnaast is gebleken dat de elektronenoverdracht driemaal sneller is wanneer 249

7 Samenvatting de ED en EA gescheiden zijn door het membraan dan wanneer zij zich beiden aan de buitenkant (dat wil zeggen in de waterige oplossing buiten de liposomen) bevinden, wat laat zien dat het scheiden van de ED en EA inderdaad leidt tot een vermindering van de snelheid van ongewenste recombinatiereacties. Tot slot kan de directe reductie van WST1 ook plaatsvinden in de aanwezigheid van zuurstof, een belangrijke eigenschap die nodig is omdat de elektrondonor HEDTA 3 uiteindelijk vervangen zal moeten worden door een wateroxidatie-katalysator (WOC). Daarentegen is het elektrontransportmolecuul in de gereduceerde toestand (MMPH) niet stabiel in de aanwezigheid van zuurstof en kan de elektronenoverdracht door het membraan heen dus alleen gebeuren in de afwezigheid van O 2. Dit belemmert het gebruik van MMP + in systemen voor de productie van brandstoffen. Figuur 2. Schematische weergave van het mechanisme van elektronenoverdracht door een dubbellaags lipidemembraan zoals beschreven in Hoofdstuk 5. Fotokatalytische oxidatie van water in af- en aanwezigheid van liposomen (Hoofdstukken 6 en 7) De reductie van elektronenacceptoren zoals MV 2+, DTNB 2 of WST1 gebeurt gemakkelijk op het oppervlak van een liposoom, ook al is de snelheid van oxidatieve uitdoving sterk verminderd ten opzichte van die in homogene oplossing. Deze fotoreducties worden echter aangedreven door de onomkeerbare oxidatie van de sacrificial elektronendonoren zoals respectievelijk CysSH, TEOA of HEDTA 3, wat een toepassing van zulke verbindingen in kunstmatig fotosynthetische systemen verhindert. In Hoofdstuk 6 en 7 zijn deze sacrificial elektronendonoren vervangen door wateroxidatie-katalysatoren die de benodigde elektronen voor de productie van brandstof uit water moeten halen en daarbij O 2 als afval produceren. 250

8 Ondanks de indrukwekkende hoeveelheid werk dat is gedaan op het gebied van fotokatalytische wateroxidatie is het ingewikkelde mechanisme van deze reactie tot op heden nog weinig bestudeerd, zelfs in homogene oplossing. Om die reden hebben we gedetailleerd kinetisch onderzoek gedaan naar drie fotokatalytische systemen waarbij [Ru(bpy) 3] 2+ is ingezet als photosensitizer, S 2O 8 2 als elektronenacceptor en drie eerder gerapporteerde wateroxidatiekatalysatoren gebaseerd op Ru, Co of Ir. In de literatuur worden dit soort fotokatalytische systemen meestal gekarakteriseerd door middel van turn-over frequencies (TOFs) en turn-over numbers (TONs) die worden berekend op basis van de hoeveelheid gebruikte wateroxidatie-katalysator, zoals dat ook wordt gedaan voor katalyse door middel van bijvoorbeeld Ce IV als oxidant. In Hoofdstuk 6 laten we echter zien dat de katalytische oxidatie van water niet de reactie is die de vormingssnelheid van O 2 begrenst, en ook dat de WOC niet de ontledende verbinding is gedurende de fotokatalyse. In plaats daarvan is de snelheid van elektronenoverdracht van de katalysator naar de geoxideerde photosensitizer bepalend voor de algehele reactiesnelheid. Omdat het fotokatalytische intermediair [Ru(bpy) 3] 3+ instabiel is in neutrale, waterige oplossing ontleedt deze en dit bepaalt dus de algehele stabiliteit van het systeem. Daarom stellen wij dat de karakterisatie van de prestatie van een systeem altijd moet uitgaan van de verbinding die het minst stabiel is gedurende de reactie en dat de TON moet worden berekend op basis van de hoeveelheid van die Figuur 3. Schematische weergave van fotokatalytische wateroxidatie op het oppervlak van een liposoom (links) of in homogene oplossing (rechts). De snelle en trage reactiestappen zijn aangegeven met respectievelijk fast en slow. 251

9 Samenvatting verbinding. Hiervoor introduceren wij het gebruik van de photocatalytic turnover number (PTON), welke dus wordt berekend als aantal elektronen dat wordt overgedragen per photosensitizer. Verder laten we zien hoe deze grootheid wordt beïnvloed door de verschillende parameters van het systeem. Algemeen beschouwd laat ons onderzoek zien dat de optimalisatie van een fotokatalytisch wateroxidatie-systeem meer inhoudt dan alleen de optimalisatie van de WOC en dat het bestuderen van de stabiliteit van de photosensitizer en het algehele systeem meer aandacht behoeft. In Hoofdstuk 7 is de functionalisatie van de photosensitizer en van de wateroxidatie-katalysatoren met alkylstaarten en de bereiding van 4- componenten liposomen voor de bestudering van fotokatalytische wateroxidatie beschreven. De behaalde resultaten laten zien dat het verankeren van de photosensitizer en WOC op een liposoom zorgt voor een stabilisatie van het algehele systeem. Door het kleine volume dat de liposomen innemen wordt de lokale concentratie van de PS en WOC vergroot, waardoor deze zich ruimtelijk dichter bij elkaar bevinden. Dit leidt tot een grotere reactiesnelheid van de elektronenoverdracht van WOC naar geoxideerde PS, wat de ontleding van PS + tegengaat en dus leidt tot een grotere PTON. Daarentegen wordt, zoals ook beschreven in Hoofdstukken 3, 4 en 5, de reactiesnelheid van oxidatieve uitdoving sterk verminderd, waardoor de photocatalytic turn-over frequency (PTOF) ook vermindert in vergelijking met het systeem in homogene oplossing zoals beschreven in Hoofdstuk 6. Op het oppervlak van een liposoom is daarom de reactiesnelheid van oxidatieve uitdoving in plaats van de elektronenoverdracht van WOC naar geoxideerde PS bepalend voor de algehele reactiesnelheid. De concentratie van de instabiele geoxideerde PS is lager gedurende de reactie op liposomen dan in homogene oplossing waardoor er minder ontleding plaatsvindt. Hierdoor is de totale hoeveelheid geproduceerd zuurstof hoger, maar is de snelheid van zuurstofproductie lager. Referenties [1] G.W. Crabtree, N.S. Lewis, Phys. Today, 2007, 60, [2] S.Y. Reece, J.A. Hamel, K. Sung, T.D. Jarvi, A.J. Esswein, J.J.H. Pijpers, D.G. Nocera, Science, 2011, 334, [3] X. Chen, S. Shen, L. Guo, S.S. Mao, Chem. Rev., 2010, 110, [4] M.D. Kärkäs, O. Verho, E.V. Johnston, B. Åkermark, Chem. Rev., 2014, 114,