Chemische reacties die worden aangedreven door licht bieden een krachtig hulpmiddel voor chemici die nieuwe manieren bedenken om geneesmiddelen en andere nuttige verbindingen te maken. Het benutten van deze lichtenergie vereist photoredox-katalysatoren, die licht kunnen absorberen en de energie kunnen overbrengen naar een chemische reactie.

MIT-chemici hebben nu een nieuw type fotoredox-katalysator ontworpen die het gemakkelijker zou kunnen maken om door licht aangestuurde reacties in productieprocessen op te nemen. In tegenstelling tot de meeste bestaande fotoredox-katalysatoren, is de nieuwe klasse materialen onoplosbaar, zodat ze steeds opnieuw kunnen worden gebruikt. Dergelijke katalysatoren kunnen worden gebruikt om buizen te coaten en chemische transformaties uit te voeren op reactanten terwijl ze door de buis stromen.

"In staat zijn om de katalysator te recyclen, is een van de grootste uitdagingen die moeten worden overwonnen als het gaat om het gebruik van fotoredox-katalyse in de productie. We hopen dat we door flowchemie met een geïmmobiliseerde katalysator te kunnen doen, een nieuwe manier kunnen bieden om dit te doen fotoredox-katalyse op grotere schaal", zegt Richard Liu, een MIT-postdoc en de gezamenlijke hoofdauteur van de nieuwe studie.

De nieuwe katalysatoren, die kunnen worden afgestemd om veel verschillende soorten reacties uit te voeren, kunnen ook worden verwerkt in andere materialen, waaronder textiel of deeltjes.

Timothy Swager, de John D. MacArthur Professor of Chemistry aan het MIT, is de hoofdauteur van het artikel, dat vandaag verschijnt in Nature Communications . Sheng Guo, een MIT-onderzoeker, en Shao-Xiong Lennon Luo, een MIT-afgestudeerde student, zijn ook auteurs van het artikel.

Hybride materialen

Photoredox-katalysatoren werken door fotonen te absorberen en die lichtenergie vervolgens te gebruiken om een ​​chemische reactie aan te drijven, analoog aan hoe chlorofyl in plantencellen energie van de zon absorbeert en gebruikt om suikermoleculen te bouwen.

Chemici hebben twee hoofdklassen photoredox-katalysatoren ontwikkeld, die bekend staan ​​als homogene en heterogene katalysatoren. Homogene katalysatoren bestaan ​​meestal uit organische kleurstoffen of lichtabsorberende metaalcomplexen. Deze katalysatoren zijn gemakkelijk af te stemmen om een ​​specifieke reactie uit te voeren, maar het nadeel is dat ze oplossen in de oplossing waar de reactie plaatsvindt. Dit betekent dat ze niet gemakkelijk kunnen worden verwijderd en opnieuw gebruikt.

Heterogene katalysatoren daarentegen zijn vaste mineralen of kristallijne materialen die platen of 3D-structuren vormen. Deze materialen lossen niet op, dus ze kunnen meer dan eens worden gebruikt. Deze katalysatoren zijn echter moeilijker af te stemmen om een ​​gewenste reactie te bereiken.

Om de voordelen van beide soorten katalysatoren te combineren, besloten de onderzoekers om de kleurstoffen waaruit homogene katalysatoren bestaan, in te bedden in een vast polymeer. Voor deze toepassing pasten de onderzoekers een plasticachtig polymeer met minuscule poriën aan dat ze eerder hadden ontwikkeld voor het uitvoeren van gasscheidingen. In deze studie toonden de onderzoekers aan dat ze ongeveer een dozijn verschillende homogene katalysatoren in hun nieuwe hybride materiaal konden opnemen, maar ze geloven dat het nog veel meer zou kunnen werken.

"Deze hybride katalysatoren hebben de recycleerbaarheid en duurzaamheid van heterogene katalysatoren, maar ook de precieze afstembaarheid van homogene katalysatoren", zegt Liu. "Je kunt de kleurstof opnemen zonder zijn chemische activiteit te verliezen, dus je kunt min of meer kiezen uit de tienduizenden fotoredoxreacties die al bekend zijn en een onoplosbaar equivalent krijgen van de katalysator die je nodig hebt."

De onderzoekers ontdekten dat het opnemen van de katalysatoren in polymeren hen ook hielp om efficiënter te worden. Een reden is dat reactantmoleculen in de poriën van het polymeer kunnen worden vastgehouden, klaar om te reageren. Bovendien kan lichtenergie gemakkelijk langs het polymeer reizen om de wachtende reactanten te vinden.

"De nieuwe polymeren binden moleculen uit de oplossing en concentreren ze effectief voor de reactie", zegt Swager. "Ook kunnen de aangeslagen toestanden snel door het polymeer migreren. De gecombineerde mobiliteit van de aangeslagen toestand en de verdeling van de reactanten in het polymeer zorgen voor snellere en efficiëntere reacties dan mogelijk zijn in zuivere oplossingsprocessen."

Hogere efficiëntie

De onderzoekers toonden ook aan dat ze de fysieke eigenschappen van de polymeerruggengraat, inclusief de dikte en porositeit, konden afstemmen op de toepassing waarvoor ze de katalysator willen gebruiken.

Ze toonden bijvoorbeeld aan dat ze gefluoreerde polymeren konden maken die zouden blijven plakken aan gefluoreerde buizen, die vaak worden gebruikt voor continue stroomproductie. Tijdens dit type productie stromen chemische reactanten door een reeks buizen terwijl nieuwe ingrediënten worden toegevoegd of andere stappen zoals zuivering of scheiding worden uitgevoerd.

Momenteel is het een uitdaging om fotoredoxreacties op te nemen in continue stroomprocessen, omdat de katalysatoren snel opgebruikt zijn, dus ze moeten continu aan de oplossing worden toegevoegd. Door de nieuwe door MIT ontworpen katalysatoren op te nemen in de buizen die voor dit soort productie worden gebruikt, kunnen fotoredox-reacties worden uitgevoerd tijdens continue stroom. De slang is helder, waardoor het licht van een LED de katalysatoren kan bereiken en activeren.

"Het idee is om de katalysator een buis te laten coaten, zodat je je reactie door de buis kunt laten stromen terwijl de katalysator blijft zitten. Op die manier krijg je de katalysator nooit in het product en kun je ook een stuk hoger komen efficiëntie", zegt Liu.

De katalysatoren kunnen ook worden gebruikt om magnetische kralen te coaten, waardoor ze gemakkelijker uit een oplossing kunnen worden getrokken zodra de reactie is voltooid, of om reactievaatjes of textiel te coaten. De onderzoekers werken nu aan het opnemen van een grotere verscheidenheid aan katalysatoren in hun polymeren en aan het engineeren van de polymeren om ze te optimaliseren voor verschillende mogelijke toepassingen. + Verder verkennen

Nieuwe synergetische single-atom katalysatorbenadering doorbreekt activiteitsbeperking van voorgangers