En gång kunde du vandra genom läkemedelsföretagens labb och nästan aldrig se ljus användas för att mediera kemiska reaktioner. Nu har "fotoredoxkatalys" blivit ett viktigt sätt att syntetisera nya organiska föreningar.

Denna typ av kemi kan snart användas ännu mer allmänt - och billigare - tack vare University of Rochester-forskare.

I en tidning som nyligen publicerades i Journal of the American Chemical Society , Todd Krauss och Daniel Weix labb visar för första gången hur ljusavgivande kvantprickar kan användas som fotoredoxkatalysatorer för att skapa kol-kolbindningar.

Dessutom, forskarna – inklusive Jill Caputo '16 (PhD) och Norman Zhao '17 från Weix labb och Leah Frenette '14 (MS) och Kelly Sowers '16 (PhD) från Krauss grupp – visade att kvantprickar skapar dessa bindningar lika effektivt som de sällsynta metallkatalysatorerna som nu används i fotoredoxkemi, såsom rutenium och iridium.

"Den potentiella effekten kan bli stor, säger Weix, en docent vid kemiska institutionen. Kol-kolbindningar är de grundläggande byggstenarna för många molekylära former, många av dem väsentliga för biologiska funktioner.

Kvantprickarna har potentiella tillämpningar i syntesen av läkemedel, finkemikalier, och jordbrukskemikalier. "Det här är marknader där människor mest aktivt söker efter kemiska föreningar med nya egenskaper, " säger Weix.

Kvantpunkter är små halvledarkristaller. Innehåller några tusentals atomer, de "lever i en värld mellan bulkmineraler - som en stenklump, med miljarder på miljarder atomer – och en enda molekyl med bara 10 eller 20 atomer, säger Krauss, en professor i kemi och ordförande för institutionen. Men, han lägger till, "kvantprickar har egenskaper hos både den molekylära och den makroskopiska världen."

Till exempel, en kvantprick har mineralers kemiska och fotostabilitet, men har ett lager av organiska molekyler på utsidan som "gör att det kan manipuleras precis som du skulle manipulera små molekyler i lösning. Du kan spraya dem, du kan belägga dem på ytor, du kan blanda dem, och gör alla olika kemier med dem, säger Krauss.

Tills nu, de flesta kemister har studerat kvantprickar för deras grundläggande egenskaper, med applikationer som främst är begränsade till skärmar som tv-apparater. Denna speciella upptäckt har sitt ursprung i tidigare arbete på Rochester som visade att kvantprickar kunde vara utmärkta katalysatorer för att skapa väte-vätebindningar för solbränsletillämpningar.

För denna studie, Krauss och Weix testade effektiviteten hos kvantprickar av kadmium/selen (CdSe) för att skapa kol-kolbindningar genom att använda fem välkända fotoredoxreaktioner. De fann att en enkelstor, lättgjorda CdSe quantum dot kan ersätta flera olika katalysatorer som nu används, med samma eller högre effektivitet.

"Kemin sträckte sig från enklare reaktioner, där kvantpunkten fungerade som den enda redoxmediatorn [enda agent som överför en elektron], på reaktioner som involverar en eller flera samkatalysatorer, med många reagenser i kolven, " säger Weix. "Det fanns en oro i början om prickarna skulle överleva i denna kemiska gryta, men det gjorde de."

Weix varnar för att papper endast representerar ett "första steget mot att visa att du kan använda halvledarkvantprickar för att ersätta andra katalysatorer." Prickarna kan behöva förfinas ytterligare för att vara lämpliga för industriella tillämpningar.

Men han är exalterad över deras potential, och momentum verkar byggas upp. Han noterar att samtidigt med deras arbete, kollegor på Northwestern gjorde viktiga framsteg mot att förbättra kvantpunktskatalysatorer. Weix pekade vidare på relaterat fotokemiskt arbete med nanokristallin titandioxid (TiO2) från forskare vid University of Ottawa och University of Wisconsin.

"Vi, och andra, har hittills tittat på hur kvantprickar skulle fungera i reaktioner som var någorlunda väl studerade, eftersom det här är en ny katalysator och vi ville jämföra den med vad som kom innan, " säger Weix. "Nästa steg är att titta på vad dessa saker gör som inget annat kan göra. Det är framtidens löfte."