Kolvar innehållande titankatalysatorn och det röda färgämnet, som bestrålas med grönt ljus i laboratoriet vid Kekulé Institute of Organic Chemistry and Biochemistry vid universitetet i Bonn. Upphovsman:Zhenhua Zhang
För första gången, kemister vid University of Bonn och Lehigh University i USA har utvecklat en titankatalysator som gör ljus användbart för selektiva kemiska reaktioner. Det ger ett kostnadseffektivt och giftfritt alternativ till rutenium och iridiumkatalysatorer som används för närvarande, som är baserade på mycket dyra och giftiga metaller. Den nya katalysatorn kan användas för att producera högselektiva kemiska produkter som kan utgöra grunden för antivirala läkemedel eller luminescerande färgämnen, till exempel. Resultaten har publicerats i den internationella upplagan av tidskriften Angewandte Chemie .
Elektroner i kemiska molekyler är ovilliga att leva ett enda liv; de förekommer vanligtvis i par. Då är de särskilt stabila och tenderar inte att knyta nya partnerskap i form av nya obligationer. Dock, om några av elektronerna förs till en högre energinivå med hjälp av ljus (fotoner), saker börjar se annorlunda ut när det gäller denna "monogami":I ett sådant upphetsat tillstånd, molekylerna gillar att donera eller acceptera en elektron. Detta skapar så kallade radikaler, som har elektroner, är mycket reaktiva och kan användas för att bilda nya bindningar.
Bestrålning med grönt ljus
Denna nya katalysator är baserad på denna princip:Kärnan är titan, som är ansluten till en kolring i vilken elektronerna är särskilt rörliga och lätt kan exciteras. Grönt ljus är tillräckligt för att använda katalysatorn för elektronöverföring för att producera reaktiva organiska mellanprodukter som annars inte är lätt att få. "I laboratoriet, vi bestrålade en reaktionskolv innehållande titankatalysatorn som kan ses som ett 'rött färgämne' med grönt ljus, "rapporterar professor dr. Andreas Gansäuer från Kekulé -institutet för organisk kemi och biokemi vid universitetet i Bonn." Och det fungerade direkt. "Blandningen genererar radikaler från organiska molekyler som initierar många reaktionscykler från vilka en mängd olika kemikalier produkter kan produceras.
Beräknat absorptionsspektrum för Titanocendichlorid [(C5H4) 2TiCl2)] och molekylära orbitaler involverade i excitationen. Upphovsman:Tobias Hilche
En nyckelfaktor vid reaktioner med denna fotoredox -katalysator är våglängden för ljuset som används för bestrålning. "Ultraviolett strålning är olämplig eftersom den är alldeles för energirik och skulle förstöra de organiska föreningarna, "säger Gansäuer. Grönt ljus från LED-lampor är både milt och energirikt nog för att utlösa reaktionen.
Katalysatorer är ämnen som ökar hastigheten på kemiska reaktioner och minskar aktiveringsenergin utan att de förbrukas själva. Det betyder att de är tillgängliga kontinuerligt och kan utlösa reaktioner som annars inte skulle uppstå i denna form. Katalysatorn kan skräddarsys för de önskade produkterna beroende på den organiska molekylen med vilken titanet är bundet.
Byggstenar för antivirala läkemedel eller självlysande färgämnen
Den nya titankatalysatorn underlättar reaktionerna av epoxider, en grupp kemikalier från vilka epoxiharts tillverkas. Dessa används som lim eller för kompositer. Dock, forskarna siktar inte på denna massprodukt, men för syntesen av mycket mer värdefulla finkemikalier. "Den titanbaserade, skräddarsydda fotoredox-katalysatorer kan till exempel användas för att producera byggstenar för antivirala läkemedel eller självlysande färgämnen, "säger Gansäuer. Han är övertygad om att dessa nya katalysatorer ger ett kostnadseffektivt och mer hållbart alternativ till de rutenium- och iridiumkatalysatorer som hittills använts, som är baserade på mycket dyra och giftiga metaller.
Utvecklingen är en internationell samarbetsinsats av Zhenhua Zhang, Tobias Hilche, Daniel Slak, Niels Rietdijk och Andreas Gansäuer från universitetet i Bonn och Ugochinyere N. Oloyede och Robert A. Flowers II från Lehigh University (USA). Medan forskarna från universitetet i Bonn undersökte hur de önskade föreningarna bäst skulle kunna syntetiseras med den nya katalysatorn, deras kollegor från USA utförde mätningar för att bevisa reaktionsvägarna. "Luminescensfenomenet öppnar verkligen upp ett intressant utrymme för att överväga utformningen av nya hållbara reaktioner som går genom fria radikala mellanprodukter, "säger professor Robert Flowers från Lehigh University.
