Invited Talk 21st International Conference on Biological Inorganic Chemistry 2025

Development of functional models of photosystems and seeing the key intermediates in water oxidation process (121612)

Young Hyun Hong 1
  1. Sogang University, Seoul, South Korea

Artificial photosynthesis has been the current major challenge, aiming at the conversion of solar energy into solar fuels by mimicking principles of natural photosynthesis. In this talk, I will briefly summarize my comprehensive research on artificial photosynthesis. We have developed molecular functional models of photosystems I and II, as well as a combination of these models, that achieve water splitting and NADPH production based on molecular photocatalysis.1-4 Characterization and reactivity studies of reaction intermediates have been performed in photocatalytic water oxidation and photocatalytic water reduction to produce H2, as well as in NAD+ reduction to NADH to elucidate the mechanisms.1–4 The redox cycle of plastoquinone and plastoquinol analogs has also been studied in homogeneous artificial photosynthesis as a way to mimic natural photosynthesis.1–4 Moreover, we reported the first example of capturing all key intermediates and monitoring the dynamics in catalytic water oxidation reactions by biomimetic catalysts, providing valuable mechanistic insights into the catalytic four-electron oxidation of water to evolve O2.5

Inspired by the oxygen-evolving complex in PSII, extensive efforts have so far been devoted to identifying the nature of intermediates and the O–O bond formation mechanism in photocatalytic water oxidation. We reported the capture and identification of the key intermediates and the O–O bond formation step in the catalytic water oxidation by the excited state of 2,3-dichloro-5,6-dicyano-p-benzoquinone (3DDQ*) with a nonheme iron complex.5 In particular, two key intermediates, an iron(V)-oxo and an iron (III)-hydroperoxo species, were captured in the water oxidation reactions.5 To the best of our knowledge, this study provides the first valuable mechanistic insights into the O–O bond-formation step in water oxidation by a nonheme iron catalyst through the detection of all intermediates and a kinetics study of the isolated intermediates.5

  1. Hong, Y. H.; Jung, J.; Nakagawa, T.; Sharma, N.; Lee, Y.-M.; Nam, W.; Fukuzumi, S. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 6748−6754.
  2. Hong, Y. H.; Lee, Y.-M.; Nam, W.; Fukuzumi, S. Inorg. Chem. 2020, 59, 14838−14846.
  3. Hong, Y. H.; Lee, Y.-M.; Nam, W.; Fukuzumi, S. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 695−700.
  4. Hong, Y. H.; Nilajakar, M.; Lee, Y.-M.; Nam, W.; Fukuzumi, S. J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 5152–5161.
  5. Hong, Y. H.; Lee, Y.-M.; Fukuzumi, S.; Nam, W. Chem 2024, 10, 1755-1765.