Ooit kon je door de laboratoria van farmaceutische bedrijven dwalen en bijna nooit zien dat licht werd gebruikt om chemische reacties te bemiddelen. Nu is "photoredox-katalyse" een essentiële manier geworden om nieuwe organische verbindingen te synthetiseren.

Dit type chemie kan binnenkort nog breder worden gebruikt - en goedkoper - dankzij onderzoekers van de Universiteit van Rochester.

In een onlangs gepubliceerd artikel in de Tijdschrift van de American Chemical Society , de laboratoria van Todd Krauss en Daniel Weix demonstreren voor het eerst hoe lichtemitterende kwantumstippen kunnen worden gebruikt als fotoredox-katalysatoren om koolstof-koolstofbindingen te creëren.

Bovendien, de onderzoekers - waaronder Jill Caputo '16 (PhD) en Norman Zhao '17 van het laboratorium van Weix en Leah Frenette '14 (MS) en Kelly Sowers '16 (PhD) van de groep van Krauss - toonden aan dat kwantumstippen deze bindingen net zo effectief creëren als de zeldzame-metaalkatalysatoren die nu worden gebruikt in de fotoredoxchemie, zoals ruthenium en iridium.

"De potentiële impact kan groot zijn, " zegt Weix, een universitair hoofddocent bij de afdeling Chemie. Koolstof-koolstofbindingen zijn de basisbouwstenen voor tal van moleculaire vormen, velen van hen zijn essentieel voor biologische functies.

De kwantumstippen hebben potentiële toepassingen in de synthese van geneesmiddelen, fijne chemicaliën, en landbouwchemicaliën. "Dit zijn markten waar mensen het meest actief op zoek zijn naar chemische verbindingen met nieuwe eigenschappen, ' zegt Weix.

Quantum dots zijn kleine halfgeleiderkristallen. Met enkele duizenden atomen, ze "leven in een wereld tussen bulkmineralen - zoals een brok steen, met miljarden en miljarden atomen - en een enkel molecuul met slechts 10 of 20 atomen, " zegt Krauss, een professor in de chemie en voorzitter van de afdeling. Maar, hij voegt toe, "Quantum dots hebben eigenschappen van zowel de moleculaire als de macroscopische wereld."

Bijvoorbeeld, een kwantumpunt heeft de chemische en fotostabiliteit van mineralen, maar heeft een laag organische moleculen aan de buitenkant waardoor het "gemanipuleerd kan worden net zoals je kleine moleculen in oplossing zou manipuleren. Je kunt ze spuiten, je kunt ze coaten op oppervlakken, je kunt ze mengen, en doe er allerlei verschillende scheikunde mee, ' zegt Krauss.

Tot nu, de meeste chemici hebben kwantumstippen bestudeerd vanwege hun basiseigenschappen, met toepassingen die voornamelijk beperkt zijn tot beeldschermen zoals televisies. Deze specifieke ontdekking vond zijn oorsprong in eerder werk in Rochester dat aantoonde dat kwantumstippen uitstekende katalysatoren zouden kunnen zijn voor het creëren van waterstof-waterstofbindingen voor zonnebrandstoftoepassingen.

Voor deze studie is Krauss en Weix testten de effectiviteit van cadmium/selenium (CdSe) kwantumstippen bij het creëren van koolstof-koolstofbindingen door gebruik te maken van vijf bekende fotoredoxreacties. Ze ontdekten dat een enkele, gemakkelijk te maken CdSe-kwantumdot zou verschillende verschillende katalysatoren kunnen vervangen die nu worden gebruikt, met gelijke of grotere efficiëntie.

"De chemie varieerde van meer eenvoudige reacties, waar de kwantumstip diende als de enige redoxmediator [enige agent die een elektron overbrengt], op reacties waarbij een of meer cokatalysatoren betrokken zijn, met veel reagentia in de kolf, " zegt Weix. "In het begin was er een zorg of de stippen zouden overleven in deze chemische stoofpot, maar ze deden het."

Weix waarschuwt dat papier slechts een "eerste stap is om te laten zien dat je halfgeleiderkwantumdots kunt gebruiken om andere katalysatoren te vervangen." De punten moeten mogelijk verder worden verfijnd om geschikt te zijn voor industriële toepassingen.

Maar hij is enthousiast over hun potentieel, en het momentum lijkt zich op te bouwen. Hij merkt op dat gelijktijdig met hun werk, collega's van Northwestern hebben belangrijke stappen gezet in de richting van het verbeteren van quantum dot-katalysatoren. Weix wees verder op gerelateerd fotochemisch werk met nanokristallijn titaniumdioxide (TiO2) van onderzoekers van de Universiteit van Ottawa en de Universiteit van Wisconsin.

"We, en anderen, tot nu toe hebben gekeken naar hoe kwantumstippen zouden presteren in reacties die redelijk goed bestudeerd waren, omdat dit een nieuwe katalysator is en we het wilden vergelijken met wat er eerder was, " zegt Weix. "De volgende stap is om te kijken naar wat deze dingen doen die niets anders kan doen. Dat is de belofte van de toekomst."