Brug af lys til at producere medicin og plastik mere effektivt

Enhver, der vil producere medicin, plastik eller gødning ved hjælp af konventionelle metoder, har brug for varme til kemiske reaktioner - men det er ikke tilfældet med fotokemi, hvor lys giver energien. Processen for at opnå det ønskede produkt tager også ofte færre mellemtrin.

Forskere fra universitetet i Basel går nu et skridt videre og demonstrerer, hvordan energieffektiviteten af ​​fotokemiske reaktioner kan øges 10 gange. Mere bæredygtige og omkostningseffektive applikationer er nu fristende tæt på.

Industrielle kemiske reaktioner forekommer normalt i flere faser på tværs af forskellige mellemprodukter. Fotokemi muliggør genveje, hvilket betyder, at der kræves færre mellemtrin. Fotokemi giver dig også mulighed for at arbejde med mindre farlige stoffer end i konventionel kemi, da lys giver en reaktion i stoffer, der ikke reagerer godt under varme. Men indtil videre har der ikke været mange industrielle anvendelser for fotokemi, blandt andet fordi energiforsyning med lys ofte er ineffektiv eller skaber uønskede biprodukter.

Forskergruppen ledet af professor Oliver Wenger ved universitetet i Basel beskriver nu et grundlæggende princip, der har en uventet stærk indflydelse på fotokemiens energieffektivitet og kan øge hastigheden af ​​fotokemiske reaktioner. Deres resultater er offentliggjort i Nature Chemistry .

I tilfælde af denne form for reaktion er startmolekylerne i en flydende opløsning. Hvis de modtager energi i form af lys, kan de udveksle elektroner med hinanden og danne radikaler. Disse ekstremt reaktive molekyler forekommer altid i par og forbliver omgivet af opløsningsmiddel, som omslutter parrene af radikaler som en slags bur.

For at radikalerne skal kunne fortsætte med at reagere på de ønskede målprodukter, skal de "bryde ud" af dette bur og finde en reaktionspartner uden for det. Holdet omkring Wenger og hans postdoc Dr. Cui Wang identificerede denne proces med at bryde ud som et afgørende skridt, der begrænser energieffektiviteten og hastigheden af ​​fotokemiske reaktioner.

Radikaler slipper fri

Så længe radikalerne forbliver i par i opløsningsmiddelburet, kan de spontant reagere med hinanden tilbage i udgangsmaterialerne. Denne omvendte reaktion spilder energi, fordi den kun bruger det lys, der allerede er absorberet, til at komme tilbage til udgangspunktet.

Basel-holdet var i stand til at bremse denne omvendte reaktion og derfor give radikalerne mere tid til at forlade buret. Jo længere den uønskede omvendte reaktion blev, jo flere radikaler var i stand til at bryde ud, og jo mere energieffektive og hurtigere udviklede de ønskede målprodukter.

Wang, som nu har stillingen som adjunkt ved Osnabrück Universitet, brugte to særlige farvestoffer i sin undersøgelse, som begge absorberer lys og lagrer dets energi i en kort periode, før de bruges til at danne par af radikaler. Det ene af de to undersøgte farvestoffer var dog i stand til at lagre betydeligt mere energi end det andet og overføre det til radikalerne.

På grund af den ekstra energi var radikalerne i stand til at forlade opløsningsmiddelburet op til ti gange mere effektivt. Målprodukterne produceres derfor med op til ti gange højere energieffektivitet. "Denne direkte forbindelse mellem de radikaler, der bryder ud af opløsningsmiddelburet og den effektive dannelse af målprodukterne er forbløffende tydelig," sagde Wang.

Nøgleresultatet er, at visse farvestoffer kan frigive flere radikaler end andre i forhold til mængden af ​​absorberet lys. "Valget af farvestof kan bruges til at øge energieffektiviteten af ​​fotokemiske reaktioner," sagde Wenger. Til gengæld slår han fast, at energieffektivitet også er et afgørende kriterium for industriel brug af fotokemi.

Flere oplysninger: Burflugt styrer fotoredox-reaktionshastigheder og kvanteudbytter, Naturkemi (2024). DOI:10.1038/s41557-024-01482-4

Leveret af University of Basel