Das Knacken von Kohlenstoffbindungen ist ein notorisch schwieriges Problem, aber es könnte der Schlüssel zur Herstellung umweltfreundlicherer, nachhaltigerer Chemikalien sein. Einem chinesischen Forschungsteam gelang die erste durch sichtbares Licht geförderte gleichzeitige Spaltung von Kohlenstoff-Kohlenstoff- und Kohlenstoff-Stickstoff-Bindungen über einen silbermodifizierten Polyoxometallat-Photokatalysator, der Wege für Anwendungen wie kohlenstoffneutrale Alternativen für fossile Brennstoffe eröffnet. Die Ergebnisse der Forscher wurden am 3. März veröffentlicht Polyoxometallate.
Die kostengünstige und hocheffiziente photokatalytische Technologie wird eingesetzt, um die zunehmend schwerwiegenden Probleme der Umweltverschmutzung zu lösen. Polyoxometallate (POMs) sind eine Klasse von Metalloxid-Clustern mit einzigartigen physikalisch-chemischen Eigenschaften, die sie besonders effektiv auf dem Gebiet der Photokatalyse machen – unter Verwendung von Lichtenergie, um eine chemische Reaktion anzutreiben.
Dank der Stabilität ihrer Molekülstrukturen und reversiblen Redoxeigenschaften können POMs als Photokatalysatoren organische Schadstoffe im Abwasser abbauen und Kohlendioxid reduzieren. POMs können auch einfache organische Umwandlungen katalysieren, einschließlich Bindungsbildungsreaktionen von Kohlenstoff-Kohlenstoff (CC) und Kohlenstoff-Stickstoff (CN).
Die meisten POMs können jedoch nur mit ultraviolettem Licht arbeiten.
„Es ist von großer Bedeutung, neue durch sichtbares Licht geförderte POM-Photokatalysatoren zu entwerfen und zu synthetisieren und ihr Potenzial in neuen organischen Reaktionen zu erforschen“, sagte Shujun Li, Autor der Studie von der Henan Normal University.
Mit diesem Ziel erforschten Li und Kollegen die Synthese von durch sichtbares Licht geförderten POM-Photokatalysatoren, um eine selektive, gleichzeitige Spaltung von Kohlenstoffbindungen zu ermöglichen.
„CC- und CN-Bindungen sind die am weitesten verbreiteten und grundlegendsten Bindungen, die in organischen Verbindungen vorkommen“, sagte Li. „Die selektive katalytische Spaltung von C-C-Bindungen oder C-N-Bindungen für chemische Umwandlungen ist ein wichtiges Thema in der Synthesechemie und hat sich zu einer der attraktivsten, aber herausforderndsten Aufgaben entwickelt.“
Chemiker haben dieses Ziel in den letzten Jahrzehnten verfolgt, weil das Aufbrechen dieser hartnäckigen Bindungen der Schlüssel zur Entdeckung wertvoller neuer Chemikalien oder nachhaltigerer Wege zur Herstellung bekannter sein könnte. Als solche haben sie eine Vielzahl von katalytischen Systemen entwickelt, um C-C-Bindungen oder C-N-Bindungen separat zu spalten. Die Spaltung sowohl von C–C- als auch von C–N-Bindungen in einer einzigen organischen Umwandlung ist jedoch ein herausforderndes Ziel.
„Bisher wurde nur über wenige Beispiele für die gleichzeitige Spaltung von CC- und CN-Bindungen in einem Substratmolekül berichtet“, sagte Li.
Um die Sache noch komplizierter zu machen, erfordert eine schnelle, gleichzeitige Spaltung dieser Arten von Bindungen harsche Reaktionsbedingungen wie hohe Temperaturen und starke Oxidations- oder Initiierungsmittel.
Das Forschungsteam kombinierte gemischtes POM aus Niob (Nb)/Wolfram (W) und Silber (Ag)-Ionen, um ein mit Silber modifiziertes Polyniobotungstat (Ag-Nb/W) zu erhalten.
Ag-Nb/W zeigte eine starke Absorption im sichtbaren Bereich, was die Forscher ermutigte, seine katalytische Aktivität unter sichtbarem Licht zu untersuchen. Die Untersuchungen der Forscher umfassten die Analyse des Substratbereichs und der Bedingungen für die beste Leistung sowie die Stabilität und Wiederverwendbarkeit von Ag-Nb/W.
Die Ergebnisse zeigten, dass die Synthese und Struktur von Ag-Nb/W eine effiziente Katalyse zur gleichzeitigen Spaltung von C-C- und C-N-Bindungen unter sichtbarem Licht und unter milden Bedingungen unterstützen. Außerdem konnte Ag-Nb/W bis zu sechsmal wiederverwendet werden, ohne dass die katalytische Aktivität abnahm.
„Nach unserem besten Wissen ist dies das erste Beispiel einer durch sichtbares Licht geförderten gleichzeitigen Spaltung von CC- und CN-Bindungen, die durch einen POM-Photokatalysator katalysiert wird, was mit der gesellschaftlichen Forderung nach grüner Chemie und nachhaltiger Entwicklung übereinstimmt“, sagte Li.
Diese Arbeit biete eine machbare Offenbarung für die Entwicklung neuer, durch sichtbares Licht induzierter Polyoxometallat-Photokatalysatoren, die in organischen Reaktionen verwendet werden sollen, bei denen C-C- und C-N-Bindungen gespalten werden, sagte Li.
In zukünftigen Schritten planen die Forscher, diese Verbindung mit anderen festen Trägern zu kombinieren, um ein dispergiertes und stabileres photokatalytisches Material zu entwickeln, das für seine Anwendungen in der Photokatalyse geeignet ist.
Mehr Informationen:
Shujun Li et al, Silbermodifiziertes Polyniobotungstat für die durch sichtbares Licht induzierte simultane Spaltung von C–C- und C–N-Bindungen, Polyoxometallate (2023). DOI: 10.26599/POM.2023.9140024
Zur Verfügung gestellt von Tsinghua University Press