Neuartiger Photokatalysator ermöglicht effiziente Esterreduktion mit blauem Licht

Der süße Duft von Erdbeeren und anderen Früchten ist einer chemischen Verbindung namens Ester zu verdanken, die auch in vielen Fetten und Polyestern vorkommt. Die allgegenwärtige Verbindung kann abgebaut werden, um begehrte Alkohole und andere Chemikalien für den Einsatz in verschiedenen Industrien, darunter Pharmazeutika und Kosmetika, herzustellen. Der Prozess kann jedoch sowohl finanziell als auch ökologisch kostspielig sein.

Nun hat ein Forscherteam des National Institutes of Natural Sciences (NINS) in Japan einen neuartigen Ansatz entwickelt, bei dem Licht als Energiequelle genutzt wird. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse am 14. Juni in der Zeitschrift der American Chemical Society.

In einem scheinbar kontraintuitiven Schritt fügen Wissenschaftler der Verbindung tatsächlich Elektronen hinzu, um Ester aufzuspalten – oder, in der chemischen Formel, zu reduzieren. Die Zugabe von Elektronen zwingt die Gruppen, aus denen der Ester besteht, sich zu basischeren Komponenten zu reduzieren. Die herkömmlichen Methoden zur Esterreduktion erfordern übermäßige Mengen hochreaktiver und schwer zu handhabender Metallreduktionsmittel.

Derzeit untersuchen Forscher den Einsatz nachhaltiger Photokatalysatoren. Photokatalysatoren oder Katalysatoren, die durch Lichteinwirkung aktiviert werden, fördern bekanntermaßen einen Elektronentransferprozess zwischen dem Katalysator und organischen Verbindungen, ohne dass hochreaktive Metallreduktionsmittel zum Einsatz kommen müssen.

Herkömmliche Photokatalysatoren, die teure und nicht erneuerbare Edelmetalle enthalten, reduzieren die begrenzten organischen Verbindungen und fügen den Verbindungen normalerweise nur ein Elektron hinzu. Der als Einzelelektronentransfer (SET) bezeichnete Prozess muss mehrere Male wiederholt werden, bis die gewünschte Anzahl an Elektronen hinzugefügt wurde, um die angestrebte Reduktion der Ester zu erreichen.

„Im letzten Jahrzehnt haben photokatalytische Reaktionen als wünschenswerte Methoden, die für die nachhaltigen Entwicklungsziele der Vereinten Nationen (SDGs) in der organischen Synthese geeignet sind, erhebliche Aufmerksamkeit erlangt“, sagte Co-Korrespondenzautor Shintaro Okumura, Assistenzprofessor am Institute for Molecular Science (IMS) des NINS.

„Photokatalysatoren fördern Redoxreaktionen unter Verwendung von sichtbarem Licht als Energiequelle in Abwesenheit von Metallreduktionsmitteln. Photokatalytische Reaktionen durch einen Mehrelektronentransferprozess sind jedoch weniger entwickelt, sodass die photokatalytische Reduktion von Estern zu Alkoholen, die vier Elektronen erfordert, unentwickelt geblieben ist. Die photokatalytische Reduktion von Estern zu Alkoholen ist eine gewaltige Herausforderung, da sie einen beispiellosen sukzessiven vierfachen SET-Prozess erfordert“, sagte Okumura.

Um diesen vierfachen SET-Prozess zu erreichen, entwickelten die Forscher einen neuartigen Photokatalysator, den sie „N-BAP“ nannten. Bei Bestrahlung mit blauem Licht initiiert der Photokatalysator die Reaktion zur Erzeugung einer chemischen Gruppe, die mit Wasser und einer zweiten chemischen Gruppe auf Kohlenstoffbasis reagiert. Durch Zugabe von Oxalat, einem in der Natur weit verbreiteten negativ geladenen Molekül, kann die Reaktion in schneller Folge vier Elektronen hinzufügen – was zu den gewünschten Alkoholen führt.

„Die Kombination des N-BAP-Katalysators mit Oxalat als spurlosem Reduktionsmittel ermöglicht die schnelle sequentielle Vier-Elektronen-Reduktion von Estern zur Erzeugung von Carbinolanionen mit anschließender Protonierung zu Alkoholen“, sagte Okumura.

„Diese Arbeit könnte den Weg für eine neuartige Umwandlung von Estern ebnen und dürfte als grüne organische Synthese, die den SDGs gerecht wird, zu einer nachhaltigen Gesellschaft beitragen.“