Redoxreaktioner spelar en viktig roll i vår vardag. I dessa reaktioner, en förening frigör elektroner och oxideras, medan en annan tar emot elektroner och reduceras. Sådana redoxreaktioner utnyttjas av levande organismer, till exempel, att lagra energi.

Redoxreaktioner spelar också en avgörande roll i elektrokemi, där energi kan lagras eller transporteras i skepnad av kemiska föreningar. De flesta kemiska synteser involverar också reduktions- och oxidationsreaktioner på deras grundläggande nivåer. Forskare runt om i världen letar därför efter enkla, stabila kemiska föreningar som kan oxideras och reduceras reversibelt och därmed även fungera som reduktions- eller oxidationsmedel.

Flerstegsoxidation möjlig

Teamen ledda av Dr Jonathan P. Hill från National Institute for Materials Science i Tsukuba (Japan) och professor Thomas Jung från University of Basel och Paul Scherrer Institute (Schweiz) har nu experimentellt för första gången visat att pyrazinacener möts dessa krav och kan reversibelt oxideras i en flerstegsprocess.

Pyrazinacenerna är en ny kategori av föreningar som består av sammankopplade ringar av kol, kväve- och väteatomer. De designades först, syntetiserad och kemiskt karakteriserad i lösning av Hill-teamet.

I lösning, föreningarna, som kan bestå av olika antal anslutna ringar, kan reversibelt frigöra och acceptera elektroner. Denna aspekt, som annars skulle studeras i ett provrör, har nu för första gången observerats experimentellt på en yta av Jung-teamet från institutionen för fysik och det schweiziska nanovetenskapsinstitutet vid universitetet i Basel. "Pyrazinacenerna oxiderar reversibelt på en yta i flera steg. För deras tekniska tillämpning, det är viktigt att veta att de också stödjer redoxreaktioner när de är bundna till ytor, " rapporterar Dr Fatemeh Mousavi, som karakteriserade pyrazinacener i Jung-gruppen.

Oxidationstillstånd kan identifieras

Genom att använda skanningstunnelmikroskopi och röntgenfotoelektronspektroskopi, forskarna observerade att föreningarna ordnar sig olika beroende på oxidationstillståndet. I den naturliga reducerade formen (erhållen direkt efter syntes), molekylerna är isolerade och orörliga när de avsätts på en yta, medan de mobiliserar för att bilda kedjor efter ett första oxidationssteg. Ett andra oxidationssteg ändrar molekylens geometri och de är återigen isolerade och orörliga.

Intressant, oxidations- och reduktionsreaktionerna av pyrazinacenerna påverkas inte bara av en kemisk impuls, men kan också stimuleras av ljus så att de kan anses vara fotoredoxaktiva.

"Våra undersökningar har visat att pyrazinacener är en intressant klass av föreningar som kan användas för att stödja fotoredox-baserade reaktioner i kemisk syntes, eller fungera som indikatorer på elektrokemiska processer, avslutar Thomas Jung.