Neue lichtbetriebene Katalysatoren könnten die Herstellung unterstützen

Lichtgesteuerte chemische Reaktionen bieten ein leistungsstarkes Werkzeug für Chemiker, die neue Wege zur Herstellung von Arzneimitteln und anderen nützlichen Verbindungen entwickeln. Um diese Lichtenergie nutzbar zu machen, sind Photoredoxkatalysatoren erforderlich, die Licht absorbieren und die Energie auf eine chemische Reaktion übertragen können.

MIT-Chemiker haben jetzt einen neuen Typ von Photoredoxkatalysator entwickelt, der es einfacher machen könnte, lichtgesteuerte Reaktionen in Herstellungsprozesse zu integrieren. Im Gegensatz zu den meisten bestehenden Photoredoxkatalysatoren ist die neue Materialklasse unlöslich, sodass sie immer wieder verwendet werden kann. Solche Katalysatoren könnten verwendet werden, um Rohre zu beschichten und chemische Umwandlungen an Reaktanten durchzuführen, während sie durch das Rohr fließen.

„Die Fähigkeit, den Katalysator zu recyceln, ist eine der größten Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt, wenn es darum geht, die Photoredoxkatalyse in der Fertigung einzusetzen. Wir hoffen, dass wir durch die Möglichkeit, Durchflusschemie mit einem immobilisierten Katalysator durchzuführen, eine neue Möglichkeit bieten können Photoredoxkatalyse in größerem Maßstab“, sagt Richard Liu, MIT-Postdoc und gemeinsamer Hauptautor der neuen Studie.

Die neuen Katalysatoren, die auf viele verschiedene Arten von Reaktionen abgestimmt werden können, könnten auch in andere Materialien, einschließlich Textilien oder Partikel, eingebaut werden.

Timothy Swager, John D. MacArthur-Professor für Chemie am MIT, ist der leitende Autor des Artikels, der heute in erscheint Naturkommunikation. Sheng Guo, ein MIT-Forschungswissenschaftler, und Shao-Xiong Lennon Luo, ein MIT-Doktorand, sind ebenfalls Autoren der Abhandlung.

Hybridmaterialien

Photoredox-Katalysatoren arbeiten, indem sie Photonen absorbieren und diese Lichtenergie dann verwenden, um eine chemische Reaktion anzutreiben, analog dazu, wie Chlorophyll in Pflanzenzellen Energie von der Sonne absorbiert und sie zum Aufbau von Zuckermolekülen verwendet.

Chemiker haben zwei Hauptklassen von Photoredoxkatalysatoren entwickelt, die als homogene und heterogene Katalysatoren bekannt sind. Homogene Katalysatoren bestehen meist aus organischen Farbstoffen oder lichtabsorbierenden Metallkomplexen. Diese Katalysatoren lassen sich leicht auf eine bestimmte Reaktion abstimmen, aber der Nachteil ist, dass sie sich in der Lösung auflösen, in der die Reaktion stattfindet. Das bedeutet, dass sie nicht einfach entfernt und wieder verwendet werden können.

Heterogene Katalysatoren hingegen sind feste Mineralien oder kristalline Materialien, die Schichten oder 3D-Strukturen bilden. Diese Materialien lösen sich nicht auf, sodass sie mehr als einmal verwendet werden können. Diese Katalysatoren sind jedoch schwieriger abzustimmen, um eine gewünschte Reaktion zu erreichen.

Um die Vorteile dieser beiden Katalysatortypen zu kombinieren, beschlossen die Forscher, die Farbstoffe, aus denen homogene Katalysatoren bestehen, in ein festes Polymer einzubetten. Für diese Anwendung passten die Forscher ein kunststoffähnliches Polymer mit winzigen Poren an, das sie zuvor für die Durchführung von Gastrennungen entwickelt hatten. In dieser Studie zeigten die Forscher, dass sie etwa ein Dutzend verschiedener homogener Katalysatoren in ihr neues Hybridmaterial einbauen könnten, aber sie glauben, dass es noch viel mehr funktionieren könnte.

„Diese Hybridkatalysatoren haben die Wiederverwertbarkeit und Haltbarkeit von heterogenen Katalysatoren, aber auch die präzise Einstellbarkeit von homogenen Katalysatoren“, sagt Liu. „Sie können den Farbstoff einbauen, ohne seine chemische Aktivität zu verlieren, sodass Sie mehr oder weniger aus den Zehntausenden von bereits bekannten Photoredoxreaktionen auswählen und ein unlösliches Äquivalent des benötigten Katalysators erhalten können.“

Die Forscher fanden heraus, dass die Einarbeitung der Katalysatoren in Polymere diesen auch dabei half, effizienter zu werden. Ein Grund dafür ist, dass Reaktionsmoleküle in den Poren des Polymers reaktionsbereit gehalten werden können. Außerdem kann Lichtenergie leicht entlang des Polymers wandern, um die wartenden Reaktanten zu finden.

„Die neuen Polymere binden Moleküle aus der Lösung und konzentrieren sie effektiv für die Reaktion vor“, sagt Swager. „Außerdem können die angeregten Zustände schnell durch das Polymer wandern. Die kombinierte Mobilität des angeregten Zustands und die Aufteilung der Reaktanten im Polymer sorgen für schnellere und effizientere Reaktionen, als dies in reinen Lösungsprozessen möglich ist.“

Höhere Effizienz

Die Forscher zeigten auch, dass sie die physikalischen Eigenschaften des Polymerrückgrats, einschließlich seiner Dicke und Porosität, basierend auf der Anwendung, für die sie den Katalysator verwenden möchten, abstimmen können.

Als ein Beispiel zeigten sie, dass sie fluorierte Polymere herstellen können, die an fluorierten Schläuchen haften bleiben, die häufig für die kontinuierliche Fertigung verwendet werden. Bei dieser Art der Herstellung fließen chemische Reaktanten durch eine Reihe von Rohren, während neue Zutaten hinzugefügt oder andere Schritte wie Reinigung oder Trennung durchgeführt werden.

Derzeit ist es schwierig, Photoredoxreaktionen in kontinuierliche Durchflussprozesse einzubinden, da die Katalysatoren schnell aufgebraucht sind und daher kontinuierlich der Lösung zugesetzt werden müssen. Die Integration der neuen MIT-entwickelten Katalysatoren in die für diese Art der Herstellung verwendeten Schläuche könnte die Durchführung von Photoredoxreaktionen während eines kontinuierlichen Flusses ermöglichen. Der Schlauch ist durchsichtig, sodass Licht von einer LED die Katalysatoren erreichen und aktivieren kann.

„Die Idee ist, dass der Katalysator ein Rohr beschichtet, sodass Sie Ihre Reaktion durch das Rohr fließen lassen können, während der Katalysator dort bleibt. Auf diese Weise gelangt der Katalysator nie in das Produkt, und Sie können auch viel höher werden Effizienz“, sagt Liu.

Die Katalysatoren könnten auch verwendet werden, um magnetische Kügelchen zu beschichten, um sie leichter aus einer Lösung herauszuziehen, sobald die Reaktion beendet ist, oder um Reaktionsfläschchen oder Textilien zu beschichten. Die Forscher arbeiten nun daran, eine größere Vielfalt an Katalysatoren in ihre Polymere einzubauen und die Polymere so zu konstruieren, dass sie für verschiedene mögliche Anwendungen optimiert werden.