Eine chemische Reaktion so gut wie Gold für Zukunftstechnologien

Eine neue von Australien geleitete Studie findet heraus, dass Goldatome der Schlüssel zur Erschließung organischer Reaktionen sein könnten.

Organische Moleküle sind die Bausteine ​​für Materialien, die wir täglich verwenden – von unserer Kleidung und Kaffeetassen bis hin zu den Displays unserer Telefone. Die Kontrolle der Reaktionen dieser organischen Moleküle ist der Schlüssel zum Design von Materialien mit funktionalen Eigenschaften.

Reaktionen, die auf Kohlenstoff-Wasserstoff (CH)-Bindungen abzielen, sind seit langem von wissenschaftlichem Interesse, da fast alle organischen Moleküle diese Bindungen enthalten. Unter der Leitung von FLEET an der Monash University, einer neuen Studie (veröffentlicht diese Woche in der Zeitschrift der American Chemical Society) stellt fest, dass einzelne Goldatome einen energiearmen Weg für Reaktionen bieten können, die auf spezifische CH-Bindungen abzielen können.

Der „Heilige Gral“ der chemischen Reaktionen

„Eines der Ziele von FLEET ist die Entwicklung von Materialien, deren elektronische Eigenschaften in Niedrigenergietechnologien genutzt werden können“, sagt der korrespondierende Autor A/Prof. Agustin Schiffrin.

Organische Moleküle können als nützliche Bausteine ​​für den abstimmbaren Aufbau dieser Materialien dienen, vorausgesetzt, Reaktionen zwischen Molekülen können auf atomarer Ebene kontrolliert werden.

Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen gehören zu den häufigsten Bindungen in organischen Molekülen. Aus diesem Grund wurde die Fähigkeit, in chemischen Reaktionen auf spezifische CH-Bindungen abzuzielen, von einigen Forschern als „Heiliger Gral“ bezeichnet. Leider stehen CH-Aktivierungsreaktionen zwei große Herausforderungen im Weg:

Die Monash-Forscher haben herausgefunden, dass einzelne Goldatome einen Weg zur CH-Aktivierung bieten könnten.

Die Forscher kombinierten eine kleine Anzahl einzelner Goldatome mit organischen 9,10-Dicyanoanthracen (DCA)-Molekülen auf einer atomar flachen Oberfläche aus Silber, Ag(111).

„Wir haben experimentelle Techniken auf atomarer Ebene – Rastertunnelmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie – verwendet, um die Proben abzubilden und zu charakterisieren“, erklärt Hauptautor Benjamin Lowe, Ph.D. Student bei Monash. „Diese Techniken offenbarten ungewöhnliche kovalente Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen der DCA-Moleküle und den Goldatomen.“

Die Bildung solcher kovalenter Bindungen deutete darauf hin, dass zunächst spezifische CH-Bindungen aufgebrochen werden mussten. In Zusammenarbeit mit theoretischen Mitarbeitern der Tschechischen Akademie der Wissenschaften deckten die Forscher einen Reaktionsweg auf, der darauf hindeutete, dass ein metallorganischer Zwischenzustand, der aus einzelnen Goldatomen mit Paaren von DCA-Molekülen gebildet wird, das Fortschreiten einer solchen Reaktion unterstützen könnte.

Bezeichnenderweise kann der aufgedeckte Reaktionsweg nur die CH-Spaltung einer bestimmten CH-Bindung erklären. Die Forscher fanden eine dramatische Abnahme der Energie, die zum Aufbrechen dieser spezifischen CH-Bindung (Aktivierungsbarriere) erforderlich ist, wodurch die Reaktion bei Raumtemperatur ermöglicht wurde.

„Diese Studie befasst sich direkt mit den beiden größten Herausforderungen – nämlich der geringen Selektivität und der hohen Aktivierungsbarriere – die die spezifische Dissoziation von CH-Bindungen in organischen Molekülen einschränken“, erklärt Agustin Schiffrin, Forschungsleiter von FLEET. „Unser Ansatz kann möglicherweise die Tür zur Synthese neuartiger organischer und metallorganischer Nanomaterialien öffnen, deren Eigenschaften für Elektronik, Optoelektronik, Sensorik, Katalyse usw. nützlich sind.“

Was kommt als nächstes?

Angesichts des breiten Interesses an Reaktionen organischer Moleküle in einer Reihe von Bereichen hat diese vielversprechende Reaktion viele potenzielle Anwendungen wie die Polymerherstellung und die Modifikation pharmazeutischer Produkte.

Bei FLEET hoffen die Forscher, diese selektive und effiziente Reaktion nutzen zu können, um atomar dünne Materialien mit wünschenswerten elektronischen Eigenschaften herzustellen.

Die Veröffentlichung „Selective Activation of Aromatic CH Bonds Catalyzed by Single Gold Atoms at Room Temperature“ wurde im veröffentlicht Zeitschrift der American Chemical Society im November 2022.

Die Studie wurde von der School of Physics and Astronomy der Monash University mit Co-Autoren des Instituts für Physik der Akademie der Wissenschaften der Tschechischen Republik und der Palacký-Universität, Tschechische Republik, geleitet.