Voor de eerste keer, chemici van de Universiteit van Bonn en Lehigh University in de VS hebben een titaniumkatalysator ontwikkeld die licht bruikbaar maakt voor selectieve chemische reacties. Het biedt een kosteneffectief en niet-toxisch alternatief voor de momenteel gebruikte ruthenium- en iridiumkatalysatoren, die zijn gebaseerd op zeer dure en giftige metalen. De nieuwe katalysator kan worden gebruikt om zeer selectieve chemische producten te produceren die de basis kunnen vormen voor antivirale geneesmiddelen of lichtgevende kleurstoffen, bijvoorbeeld. De resultaten zijn gepubliceerd in de internationale editie van het tijdschrift Angewandte Chemie .

Elektronen in chemische moleculen zijn terughoudend om een ​​enkel leven te leiden; ze komen meestal in paren voor. Dan zijn ze bijzonder stabiel en hebben ze niet de neiging om nieuwe partnerships aan te gaan in de vorm van nieuwe banden. Echter, als een deel van de elektronen met behulp van licht (fotonen) op een hoger energieniveau wordt gebracht, dingen beginnen er anders uit te zien als het gaat om deze "monogamie":in zo'n opgewonden toestand, de moleculen willen graag een elektron doneren of accepteren. Hierdoor ontstaan ​​zogenaamde 'radicalen, ' die elektronen hebben, zijn zeer reactief en kunnen worden gebruikt om nieuwe bindingen te vormen.

Bestraling met groen licht

Deze nieuwe katalysator is gebaseerd op dit principe:de kern is titanium, die is verbonden met een koolstofring waarin de elektronen bijzonder mobiel zijn en gemakkelijk kunnen worden geëxciteerd. Groen licht is voldoende om de katalysator voor elektronenoverdracht te gebruiken om reactieve organische tussenproducten te produceren die anders niet gemakkelijk verkrijgbaar zijn. "In het laboratorium, we bestraalden een reactiekolf met daarin de titaankatalysator die met groen licht kan worden gezien als een 'rode kleurstof', " meldt Prof. Dr. Andreas Gansäuer van het Kekulé Instituut voor Organische Chemie en Biochemie aan de Universiteit van Bonn. "En het werkte meteen." Het mengsel genereert radicalen van organische moleculen die vele reactiecycli initiëren waaruit een grote verscheidenheid aan chemische producten kunnen worden geproduceerd.

Een sleutelfactor bij reacties met deze foto-redoxkatalysator is de golflengte van het licht dat voor bestraling wordt gebruikt. "Ultraviolette straling is ongeschikt omdat het veel te energierijk is en de organische verbindingen zou vernietigen, ", zegt Gansäuer. Groen licht van LED-lampen is zowel mild als energierijk genoeg om de reactie op gang te brengen.

Katalysatoren zijn stoffen die de snelheid van chemische reacties verhogen en de activeringsenergie verlagen zonder zelf verbruikt te worden. Dit betekent dat ze continu beschikbaar zijn en reacties kunnen veroorzaken die anders niet in deze vorm zouden optreden. Afhankelijk van het organische molecuul waarmee het titaan is gebonden, kan de katalysator op de gewenste producten worden afgestemd.

Bouwstenen voor antivirale middelen of lichtgevende kleurstoffen

De nieuwe titaniumkatalysator vergemakkelijkt de reacties van epoxiden, een groep chemicaliën waaruit epoxyhars wordt gemaakt. Deze worden gebruikt als lijm of voor composieten. Echter, de wetenschappers mikken niet op dit massaproduct, maar voor de synthese van veel waardevollere fijnchemicaliën. "De op titanium gebaseerde, op maat gemaakte foto-redoxkatalysatoren kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om bouwstenen te produceren voor antivirale geneesmiddelen of luminescente kleurstoffen, ", zegt Gansäuer. Hij is ervan overtuigd dat deze nieuwe katalysatoren een kosteneffectief en duurzamer alternatief bieden voor de tot nu toe gebruikte ruthenium- en iridiumkatalysatoren, die zijn gebaseerd op zeer dure en giftige metalen.

De ontwikkeling is een internationale samenwerking van Zhenhua Zhang, Tobias Hilche, Daniël Slak, Niels Rietdijk en Andreas Gansäuer van de Universiteit van Bonn en Ugochinyere N. Oloyede en Robert A. Flowers II van Lehigh University (VS). Terwijl de wetenschappers van de Universiteit van Bonn onderzochten hoe de gewenste verbindingen het beste konden worden gesynthetiseerd met de nieuwe katalysator, hun collega's uit de VS voerden metingen uit om de reactieroutes te bewijzen. "Het luminescentie-fenomeen opent echt interessante ruimte om het ontwerp van nieuwe duurzame reacties te overwegen die verlopen via tussenproducten van vrije radicalen, " zegt prof. Robert Flowers van de Lehigh University.