Forscher finden mit Hilfe von Elektrizität eine vielversprechende neue Methode zur Beschleunigung chemischer Reaktionen
Chemiker hoffen, den Grundstein für eine umweltfreundlichere Chemie zu legen
Da die Welt von Gas auf Strom als umweltfreundlichere Energiequelle umsteigt, geht die Liste der zu erledigenden Aufgaben über Autos hinaus. Auch das riesige globale Produktionsnetzwerk, das alles von unseren Batterien bis zu unseren Düngemitteln herstellt, muss den Schalter umlegen.
Eine Studie von Chemikern der UChicago hat einen Weg gefunden, Elektrizität zu nutzen, um eine Art von chemischer Reaktion anzukurbeln, die häufig bei der Synthese neuer Kandidaten für pharmazeutische Medikamente verwendet wird.
Die am 2. Januar in Nature Catalysis veröffentlichte Studie ist ein Fortschritt auf dem Gebiet der Elektrochemie und zeigt einen Weg auf, um Reaktionen zu entwerfen und zu kontrollieren - und sie nachhaltiger zu machen.
"Wir wollen verstehen, was auf fundamentaler Ebene an der Elektrodenschnittstelle passiert, und dies nutzen, um effizientere chemische Reaktionen vorherzusagen und zu entwerfen", sagte Anna Wuttig, UChicago Neubauer Family Assistant Professor und Hauptautorin der Studie. "Dies ist ein Schritt in Richtung dieses Ziels."
Chemische Komplexität
Bei bestimmten chemischen Reaktionen kann Elektrizität die Leistung steigern - und da der benötigte Strom aus erneuerbaren Quellen gewonnen werden kann, könnte dies dazu beitragen, die chemische Industrie weltweit umweltfreundlicher zu machen.
Aber die Elektrochemie, wie das Gebiet genannt wird, ist besonders komplex. Es gibt viel, was die Wissenschaftler nicht über die molekularen Wechselwirkungen wissen, vor allem, weil man einen leitenden Festkörper (eine Elektrode) in die Mischung einfügen muss, um die Elektrizität bereitzustellen, was bedeutet, dass die Moleküle sowohl mit dieser Elektrode als auch untereinander wechselwirken. Das bedeutet, dass die Moleküle nicht nur untereinander, sondern auch mit der Elektrode interagieren. Für einen Wissenschaftler, der versucht, die Rollen, die die einzelnen Moleküle in welcher Reihenfolge spielen, zu entwirren, macht dies einen ohnehin schon komplizierten Prozess noch komplizierter.
Wuttig möchte dies jedoch in einen Vorteil umwandeln. "Wenn man sich vorstellt, dass die Elektrochemie uns einen einzigartigen Designhebel bietet, der in keinem anderen System möglich ist", sagt sie.
In diesem Fall konzentrierten sie und ihr Team sich auf die Oberfläche der Elektrode, die den Strom für die Reaktion liefert.
"Es gab Hinweise darauf, dass die Oberfläche selbst katalytisch ist, dass sie eine Rolle spielt", sagte Wuttig, "aber wir wissen nicht, wie wir diese Wechselwirkungen auf molekularer Ebene systematisch steuern können."
Sie bastelten an einer Art von Reaktion, die häufig bei der Herstellung von Chemikalien für die Medizin verwendet wird, um eine Bindung zwischen zwei Kohlenstoffatomen herzustellen.
Theoretischen Vorhersagen zufolge sollte die Ausbeute bei dieser Reaktion, wenn sie mit Strom durchgeführt wird, 100 % betragen, d. h. alle Moleküle, die in die Reaktion eingegangen sind, werden zu einer einzigen neuen Substanz verarbeitet. Wenn man die Reaktion jedoch tatsächlich im Labor durchführt, ist die Ausbeute geringer.
Das Team vermutete, dass das Vorhandensein der Elektrode einige der Moleküle von dem Ort weglockte, an dem sie während der Reaktion benötigt wurden. Sie fanden heraus, dass die Zugabe eines Schlüsselbestandteils Abhilfe schaffen könnte: Eine chemische Substanz, eine so genannte Lewis-Säure, die der flüssigen Lösung zugesetzt wird, lenkt diese Moleküle um.
"Man erhält eine nahezu saubere Reaktion", so Wuttig.
Katalysator für Veränderungen
Darüber hinaus konnte das Team mithilfe spezieller bildgebender Verfahren die Reaktionen auf molekularer Ebene beobachten. "Man kann sehen, dass die Anwesenheit des Modulators einen tiefgreifenden Effekt auf die Grenzflächenstruktur hat", sagte sie. "Dadurch können wir die Vorgänge visualisieren und verstehen, anstatt sie als Blackbox zu betrachten."
Dies sei ein entscheidender Schritt, so Wuttig, denn er zeige einen Weg auf, wie man die Elektrode nicht nur in der Chemie einsetzen, sondern auch ihre Auswirkungen vorhersagen und kontrollieren könne.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Elektrode für weitere Reaktionen wiederverwendet werden kann. (Bei den meisten Reaktionen ist der Katalysator in der Flüssigkeit gelöst und wird während des Reinigungsprozesses abgelassen, um das Endprodukt zu erhalten).
"Dies ist ein Schritt in Richtung nachhaltige Synthese", sagte sie. "Meine Gruppe ist sehr daran interessiert, diese Art von Konzepten und Strategien in Zukunft zu nutzen, um andere synthetische Herausforderungen zu bewältigen.
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