Lysemitterende kvantepunkter kan lette syntesen af ​​nye forbindelser

På et tidspunkt kunne man vandre gennem farmaceutiske virksomheders laboratorier og næsten aldrig se lys blive brugt til at formidle kemiske reaktioner. Nu er "fotoredox -katalyse" blevet en vigtig måde at syntetisere nye organiske forbindelser på.

Denne type kemi kan snart blive brugt endnu mere bredt - og billigere - takket være forskere fra University of Rochester.

I et papir, der for nylig blev offentliggjort i Journal of the American Chemical Society , laboratorierne af Todd Krauss og Daniel Weix demonstrerer for første gang, hvordan lysemitterende kvantepunkter kan bruges som fotoredox-katalysatorer til at skabe carbon-carbon-bindinger.

I øvrigt, forskerne - herunder Jill Caputo '16 (PhD) og Norman Zhao '17 fra Weix's lab og Leah Frenette '14 (MS) og Kelly Sowers '16 (PhD) fra Krauss gruppe - viste, at kvantepunkter danner disse bindinger lige så effektivt som de sjældne metalkatalysatorer, der nu bruges i fotoredox-kemi, såsom ruthenium og iridium.

"Den potentielle indvirkning kan være stor, "siger Weix, en lektor i Institut for Kemi. Kulstof-kulstofbindinger er de grundlæggende byggesten til talrige molekylære former, mange af dem er afgørende for biologiske funktioner.

Kvantepunkterne har potentielle anvendelser i syntesen af ​​lægemidler, fine kemikalier, og agro-kemikalier. "Dette er markeder, hvor folk mest aktivt leder efter kemiske forbindelser med nye egenskaber, "Siger Weix.

Quantum dots er små halvlederkrystaller. Indeholder nogle tusinder af atomer, de "lever i en verden mellem store mineraler - som en klump sten, med milliarder på milliarder af atomer - og et enkelt molekyle med kun 10 eller 20 atomer, "siger Krauss, professor i kemi og formand for instituttet. Men, tilføjer han, "kvanteprikker har egenskaber for både den molekylære og den makroskopiske verden."

For eksempel, en kvanteprik har mineralernes kemiske og fotostabilitet, men har et lag organiske molekyler på ydersiden, der "gør det muligt at manipulere det, ligesom du ville manipulere små molekyler i opløsning. Du kan sprøjte dem, du kan belægge dem på overflader, du kan blande dem, og gør alle forskellige kemier med dem, "Siger Krauss.

Indtil nu, de fleste kemikere har undersøgt kvantepunkter for deres grundlæggende egenskaber, med applikationer primært begrænset til displays såsom fjernsyn. Denne særlige opdagelse stammer fra tidligere arbejde i Rochester, der viste, at kvantepunkter kunne være fremragende katalysatorer til at skabe hydrogen-hydrogenbindinger til solbrændselsapplikationer.

Til denne undersøgelse, Krauss og Weix testede effektiviteten af ​​cadmium/selen (CdSe) kvantepunkter ved at skabe kulstof-kulstofbindinger ved hjælp af fem velkendte fotoredoxreaktioner. De fandt ud af, at en enkelt størrelse, let fremstillet CdSe quantum dot kunne erstatte flere forskellige katalysatorer, der nu bruges, med lige eller større effektivitet.

"Kemien varierede fra mere simple reaktioner, hvor kvantepunktet fungerede som den eneste redox -mediator [eneste agent, der overfører en elektron], reaktioner, der involverer en eller flere co -katalysatorer, med en masse reagenser i kolben, "Weix siger." Der var i starten en bekymring for, om prikkerne ville overleve i denne kemiske gryderet, men det gjorde de. "

Weix advarer om, at papir kun repræsenterer et "første skridt i retning af at vise, at du kunne bruge halvlederkvantumpunkter til at erstatte andre katalysatorer." Prikkerne kan være nødvendigt at forfine yderligere for at være egnede til industrielle applikationer.

Men han er begejstret for deres potentiale, og momentum ser ud til at bygge op. Han bemærker, at samtidig med deres arbejde, kolleger i Northwestern gjorde vigtige fremskridt mod forbedring af quantum dot -katalysatorer. Weix pegede endvidere på relateret fotokemisk arbejde med nanokrystalintitandioxid (TiO2) fra forskere ved University of Ottawa og University of Wisconsin.

"Vi, og andre, har hidtil set på, hvordan kvantepunkter ville fungere i reaktioner, der var rimeligt velstuderede, fordi dette er en ny katalysator, og vi ønskede at sammenligne det med det, der kom før, "Weix siger." Det næste trin er at se på, hvad disse ting gør, som intet andet kan gøre. Det er fremtidens løfte. "