Oavsett om de är syntetiska material som PET och teflon, läkemedel eller smakämnen, livet utan syntetiskt framställda föreningar är knappt tänkbart. Den kemiska industrin är beroende av effektiv, långsiktiga metoder för att framställa syntetiskt framställda molekyler. För det här syftet, kemister använder ofta katalysatorer, dvs. tillsatser med vilka de kan underlätta och kontrollera kemiska reaktioner. Men hur upptäcks och utvecklas sådana reaktioner?

En hög grad av kunskap och förståelse krävs - men slumpen spelar också en avgörande roll. Ett team av kemister vid universitetet i Münster (Tyskland) har utvecklat en strategi för att generera sådana "slumpmässiga träffar" på ett systematiskt sätt i syfte att upptäcka nya, oväntade reaktioner. Studien har publicerats i Chem tidning.

Processen att systematiskt genomföra ett stort antal experiment kallas screening, och är etablerad praxis i synnerhet inom farmaceutisk forskning avseende aktiva ingredienser. Screeningsmetoden utvecklad i Münster för att upptäcka reaktioner kombinerar två steg som täcker en mängd olika individuella element i en reaktion, som, i kombination, är designade för att upptäcka nya, syntetiskt relevanta reaktioner. I det första steget, kemister undersöker om ett potentiellt substrat överhuvudtaget interagerar med katalysatorn. För det här syftet, när det gäller fotokatalysatorer, fenomenet emission quenching används. Om ett substrat minskar emissionen av katalysatorn, en interaktion mellan katalysator och substrat är sannolikt. Genom att systematiskt screena ett stort antal slumpmässigt utvalda föreningar, nya molekyler kan identifieras vars interaktion med katalysatorer tidigare var okänd.

Interaktionen mellan substrat och katalysator skapar inte i sig en reaktion, dock. Av denna anledning, det andra steget i screeningsprocessen innefattar att undersöka om en reaktion faktiskt äger rum när en reaktionspartner och katalysatorn är närvarande. Det betyder att för första gången som ett resultat av att kombinera två screeningssteg, båda parter i en ny reaktion kan identifieras som reagerar för att bilda en ny produkt. "Denna tvådimensionella strategi gör det möjligt för oss inte bara att hitta nya interaktioner mellan katalysator och substrat, men också för att faktiskt upptäcka nya reaktioner - inklusive några som vi inte tidigare hade förväntat oss, " förklarar prof. Frank Glorius från Institutet för organisk kemi vid Münster University.

Upptäcker oväntad reaktivitet

Studien visar att författarna kunde upptäcka och vidareutveckla tre tidigare okända reaktioner. En av dessa reaktioner är en så kallad fotokemisk cykloaddition, där enkel, platta molekyler - bensotiofener - överförs till komplexa tredimensionella strukturer. "Som formulerat på papper, Jag skulle inte ha ansett denna reaktion vara möjlig, säger Felix Strieth-Kalthoff, en doktorsexamen student och huvudförfattare till studien, "eftersom, ur en energisk synvinkel, nyckelsteget i denna reaktion borde faktiskt inte vara möjligt."

För att undersöka detta mer i detalj, Münster-kemisterna kontaktade prof. Dirk Guldi vid universitetet i Erlangen, som anses vara världens ledande expert på undersökningar av fotokemiska processer. Arbetar med kollegor från Leibniz Institute of Surface Engineering i Leipzig, teamet kunde kasta ljus över saken genom att utföra mätningar i form av ultrasnabb spektroskopi. Kemisterna använde ultrakorta laserpulser för att systematiskt observera och undersöka de enskilda stegen i reaktionen. "Vi kan nu ge mycket bättre förklaringar till de underliggande molekylära processerna i triplett-triplett-energiöverföringen - nyckelaktiveringssteget, " säger Dirk Guldi. "Denna större förståelse kommer att möjliggöra utvecklingen av nya processer och katalysatorer, " han lägger till.

Detta exempel visar att resultaten av en sådan screeningmetod inte bara ger nya reaktioner utan också kan, dessutom, bidra till en djupare förståelse av ämnet. "Vi är övertygade om att den här strategin kan användas inom andra områden av katalys – och bortom, säger Frank Glorius.

Använder sig av, bland annat, den senaste datortekniken, forskargruppen arbetar redan med att utveckla nya screeningmetoder för att upptäcka och förstå nya klasser av reaktioner. Det finns en sak som Frank Glorius är säker på:"Jag tror att upptäckten av nya typer av reaktioner till följd av databaserade strategier, som dessa screeningmetoder är, kommer att göra en avgörande skillnad för utvecklingen av syntetisk kemi."