Fotoelektrokemiska (PEC) celler studeras brett för att omvandla solenergi till kemiska bränslen. De använder fotokatoder och fotoanoder för att "dela" vatten till väte respektive syre. PEC-celler kan arbeta under milda förhållanden med ljus, vilket gör dem också lämpliga för andra katalyserande reaktioner som gör organiska molekyler till kemikalier med högt mervärde, som de som används för att utveckla läkemedel.

Dock, PEC-celler har hittills sällan använts i organisk syntes, förutom i några nya konceptuella försök som bara har testat en handfull enkla substrat. Övergripande, PEC-celler förblir i stort sett outforskade för breda syntetiska metoder för funktionella organiska molekyler.

De kan ändå visa sig vara mest användbara i en av de mest tilltalande syntetiska metoderna för läkemedel och jordbrukskemikalier, kallas "direkt aminering". Det innebär att lägga till en amingrupp till en organisk molekyl utan att föraktivera molekylen genom ett ytterligare bearbetningssteg.

Direkt aminering kräver normalt höga temperaturer, och behöver också vad som kallas en "styrgrupp - en kemisk enhet som fixerar reaktionsstället men inte har några andra funktioner, och som ofta måste tas bort innan den nya blandningen används i applikationer.

Nu, Xile Hu och Michael Grätzels labb vid EPFL:s Institute of Chemical Sciences and Engineering (ISIC) har utvecklat en ny metod för att aminera arener – kolväten med en ring i strukturen – utan behov av en styrgrupp.

"Vår metod är operativt enkel och kan användas för att syntetisera ett brett spektrum av kvävehaltiga heterocykler som är relevanta för läkemedelsupptäckt, " skriver Lei Zhang, huvudförfattaren till studien. Bevisar poängen, forskarna använde sin metod för att göra flera farmaceutiska molekyler, inklusive derivat av det muskelavslappnande medlet metaxalone och den antimikrobiella bensetoniumkloriden.

Baserat på en PEC-cell, metoden katalyserar reaktionen med ljus och den låga kostnaden, Jordrik halvledarhematit. "Pionjärstudier i Michael Grätzels labb har gett robusta hematitprover som är effektiva för vattenspjälkning, men hematit har aldrig använts för att katalysera organisk syntes, säger Hu.

I den aktuella studien, hematit visade sig fungera bra för direkt aminering under synligt ljus, medan dess höga stabilitet lovar en lång livslängd som en fungerande katalysator. Och eftersom den skördar ljus, den fotoelektrokatalys som används här förbrukar mindre energi än direkt elektrokatalys.

"Detta är en viktig principdemonstration för att använda PEC-celler för produktion av högt förädlade kemikalier och läkemedel, " säger Hu. "Verket förenar två traditionellt åtskilda fält, nämligen fotoelektrokemi och organisk syntes. Det finns många outnyttjade möjligheter för detta tillvägagångssätt, och vi är glada över att ytterligare utforska dessa möjligheter."