Foto-elektrochemische (PEC) cellen worden op grote schaal bestudeerd voor de omzetting van zonne-energie in chemische brandstoffen. Ze gebruiken fotokathoden en fotoanoden om water te "splitsen" in respectievelijk waterstof en zuurstof. PEC-cellen kunnen onder milde omstandigheden werken met licht, waardoor ze ook geschikt zijn voor andere katalyserende reacties die organische moleculen omzetten in chemicaliën met een hoge toegevoegde waarde, zoals die worden gebruikt om medicijnen te ontwikkelen.

Echter, PEC-cellen zijn tot nu toe zelden gebruikt in organische synthese, behalve in enkele recente conceptuele pogingen die slechts een handvol eenvoudige substraten hebben getest. Algemeen, PEC-cellen blijven grotendeels onontgonnen voor brede synthetische methodologieën van functionele organische moleculen.

Ze zouden niettemin zeer nuttig kunnen zijn in een van de meest aantrekkelijke synthetische methoden voor farmaceutische en landbouwchemicaliën, genaamd "directe aminering". Het omvat het toevoegen van een aminegroep aan een organisch molecuul zonder het molecuul vooraf te activeren door een extra verwerkingsstap.

Directe aminering vereist normaal gesproken hoge temperaturen, en heeft ook behoefte aan wat bekend staat als een "sturende groep - een chemische eenheid die de reactieplaats fixeert maar geen andere functies heeft, en die vaak moet worden verwijderd voordat de nieuwe verbinding in toepassingen wordt gebruikt.

Nutsvoorzieningen, de laboratoria van Xile Hu en Michael Grätzel van EPFL's Institute of chemical sciences and engineering (ISIC) hebben een nieuwe methode ontwikkeld voor het amineren van arenen - koolwaterstoffen met een ring in hun structuur - zonder dat er een regiegroep nodig is.

"Onze methode is operationeel eenvoudig en kan worden gebruikt om een ​​breed scala aan stikstofbevattende heterocycli te synthetiseren die relevant zijn voor de ontdekking van geneesmiddelen, " schrijft Lei Zhang, de hoofdauteur van de studie. Het punt bewijzen, gebruikten de onderzoekers hun methode om verschillende farmaceutische moleculen te maken, waaronder derivaten van het spierverslapper metaxalon en het antimicrobiële benzethoniumchloride.

Op basis van een PEC-cel, de methode katalyseert de reactie met licht en de lage kosten, Aardrijk halfgeleider hematiet. "Baanbrekende studies in het laboratorium van Michael Grätzel hebben robuuste hematietmonsters opgeleverd die efficiënt zijn voor het splitsen van water, maar hematiet is nooit gebruikt om organische synthese te katalyseren, " zegt Hu.

In de huidige studie, hematiet bleek goed te werken voor directe aminering onder zichtbaar licht, terwijl zijn hoge stabiliteit een lange levensduur belooft als werkende katalysator. En omdat het licht oogst, de hier gebruikte foto-elektrokatalyse verbruikt minder energie dan directe elektrokatalyse.

"Dit is een belangrijke demonstratie van het principe voor het gebruik van PEC-cellen voor de productie van chemicaliën en farmaceutische producten met een hoge toegevoegde waarde, ", zegt Hu. "Het werk voegt twee traditioneel gescheiden velden samen, namelijk foto-elektrochemie en organische synthese. Er zijn tal van onbenutte mogelijkheden voor deze aanpak, en we zijn verheugd om deze mogelijkheden verder te verkennen."