Water Deprotonation via Oxo-Bridge Hydroxylation and 18O-Exchange in Free Tetra-Manganese Oxide Clusters

化学 光系统II 脱质子化 析氧 析氧络合物 无机化学 羟基化 光化学 星团(航天器) 氧气 光合作用 离子 物理化学 有机化学 电极 程序设计语言 生物化学 电化学 计算机科学
作者
Sandra M. Lang,Irene Fleischer,Thorsten M. Bernhardt,R. N. Barnett,Uzi Landman
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:119 (20): 10881-10887 被引量:22
标识
DOI:10.1021/jp5106532
摘要

One of the fundamental biological reactions, the catalytically activated water-splitting, takes place at an inorganic tetra-manganese monocalcium penta-oxygen (Mn4CaO5) cluster which together with its protein ligands forms the oxygen evolution complex (OEC) of the membrane-bound pigment–protein photosystem II (PSII) of plants, algae, and cyanobacteria. In the first step of a new hierarchical approach to probe fundamental concepts of the water-splitting reactions, we present the gas-phase preparation of an isolated tetra-manganese oxide cluster ion, Mn4O4+, as a simplified model of the OEC. Reactivity studies with D216O and H218O in a gas-phase ion trap experiment reveal the exchange of the oxygen atoms of the cluster with water oxygen atoms. This provides direct experimental evidence for the ability of Mn4O4+ to dissociate water via hydroxylation of the oxo-bridges. The rate of oxygen exchange in the free cluster agrees well with the conversion rate of substrate water to O2 in photosystem II, thus supporting the involvement of bridging oxygen atoms in this process. First-principles spin density functional theory calculations reveal the molecular mechanism of the water deprotonation and oxo-bridge exchange.

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