Die Synthese von organischen Verbindungen und Polymeren ist das Herzstück vieler verarbeitender Industrien. Die neuen Methoden der „elektrisierenden Synthese“, die herkömmliche synthetische Chemie mit Elektrochemie kombinieren können, sind einen Schritt näher an eine nachhaltige Zukunft. Diese Reaktionen erfordern keine potenziell schädlichen chemischen Reagenzien. Sie erzielen eine organische Synthese, indem sie einfach Elektronen aus einer elektrischen Stromquelle verwenden, um Redoxreaktionen durchzuführen.
Abgesehen davon, dass sie umweltfreundlich sind, können diese Reaktionen auch durch Feinabstimmung der elektrischen Potentiale mehr oder weniger selektiv gemacht werden. Ihre Abhängigkeit von einer Stromversorgung schränkt jedoch ihre Anwendung an stromlosen Orten wie der Luft- und Raumfahrt und der Tiefsee ein.
Die Lösung für dieses widersprüchliche Problem wurde von einem Forscherteam unter der Leitung von Prof. Shinsuke Inagi vom Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, vorgestellt. In ihrer kürzlich veröffentlichten Studie in Kommunikationschemiestellte das Team einen Proof-of-Concept für die elektrochemische Polymerisation organischer aromatischer Monomere ohne externe Stromversorgung bereit. Prof. Inagi erklärt: „Wir haben einen großen Sprung in der Entwicklung von elektrochemischen Reaktoren zur Durchführung organischer Synthesen erlebt, aber die meisten von ihnen benötigen eine Stromquelle. Wir wollten ein stromunabhängiges System bauen, um den Prozess zugänglicher zu machen Wir haben die Antwort auf unsere Suche in der Streaming-potentialgesteuerten Elektrochemie gefunden.“
Was genau ist dieses Streaming-Potenzial, das Prof. Inagi erwähnt?
Wenn ein Elektrolyt durch einen Mikrokanal fließt, entsteht aufgrund dieser Bewegung eine Druckdifferenz. Dies führt zu einem Ladungsungleichgewicht, wodurch ein Strömungspotential entsteht. Das Team verwendete für seine Experimente eine kundenspezifische Polyetheretherketon-Zelle (oder PEEK) mit zwei Kammern, die durch Platindrähte und ein PEEK-Mikroröhrchen verbunden war. Dieses PEEK-Mikroröhrchen wurde dicht mit Watte gefüllt, um einen Druckabfall zu erzeugen. Als sie einen Elektrolyten durch das Mikroröhrchen leiteten, erzeugte dieser ein Strömungspotential, das genügend Energie liefern könnte, um die gewünschten chemischen Reaktionen anzutreiben.
Beim Betrieb der Zelle erfuhren die Elektroden in der Zweikammerzelle sowohl ein stromaufwärts als auch ein stromabwärts gerichtetes Strömungspotential, wodurch sich die Zelle wie eine sogenannte geteilte bipolare Elektrode (BPE) verhalten konnte. Dieser BPE-Aufbau, begleitet von dem erzeugten Strömungspotential von 2–3 Volt, war dafür verantwortlich, Bedingungen zu schaffen, die für die Redoxreaktionen organischer Monomere förderlich sind.
Um die Polymerisationsfähigkeiten dieses Aufbaus zu testen, wählte das Team zwei aromatische organische Verbindungen: Pyrrol (Py) und 3,4-Ethylendioxythiophen (EDOT). Diese beiden Monomere wurden ohne Verwendung einer externen Stromquelle erfolgreich zu Polypyrrol (PPy) bzw. Poly-EDOT (PEDOT) elektropolymerisiert.
Dieser neue druckbetriebene, umweltfreundliche und stromversorgungsunabhängige Reaktor eröffnet neue Wege für die Elektrifizierung von Synthesereaktionen. Die Erkenntnisse aus dieser Studie können sich auch beim Design neuer elektrochemischer Reaktoren für die Synthese nützlicher organischer Verbindungen und Polymere als wertvoll erweisen. „Die ganze Welt versucht, wesentliche industrielle Prozesse grüner und sauberer zu machen. Da die organische Synthese das Herzstück vieler chemischer Industrien ist, haben wir versucht, ein Elektrosyntheseverfahren zu entwickeln, das minimale Ressourcen benötigt und zu den Zielen einer nachhaltigen Entwicklung beiträgt“, schließt Prof. Inagi.
Suguru Iwai et al, Elektropolymerisation ohne elektrische Energieversorgung, Kommunikationschemie (2022). DOI: 10.1038/s42004-022-00682-8