Neuer Photokatalysator ermöglicht effiziente Reduktion von Estern mit blauem Licht

Der süße Geruch von Erdbeeren und anderen Früchten ist auf eine chemische Verbindung namens Ester zurückzuführen, die auch in vielen Fetten und Polyestern vorkommt. Diese allgegenwärtige Verbindung kann zu Alkoholen und anderen interessanten Chemikalien für den Einsatz in allen Branchen, einschließlich Pharmazeutika und Kosmetika, abgebaut werden, aber der Prozess kann sowohl finanziell als auch ökologisch kostspielig sein.

Jetzt hat ein Forscherteam der National Institutes of Natural Sciences (NINS) in Japan einen neuen Ansatz entwickelt, der Licht als Energiequelle nutzt. 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 abzubauen oder in einem chemischen Prozess zu reduzieren. Die Zugabe von Elektronen zwingt die Gruppen, aus denen der Ester besteht, zu basischeren Komponenten zu reduzieren. Herkömmliche Methoden zur Esterreduktion erfordern eine übermäßige Menge an hochreaktiven und schwer zu handhabenden Metallreduzierern.

Heute untersuchen Forscher den Einsatz nachhaltiger Photokatalysatoren. Es ist bekannt, dass Photokatalysatoren oder Katalysatoren, die bei Anregung durch Licht aktiviert werden, einen Elektronentransferprozess zwischen dem Katalysator und organischen Verbindungen ohne den Einsatz hochreaktiver metallischer Reduktionsmittel fördern.

Herkömmliche Photokatalysatoren, die teure, nicht erneuerbare Edelmetalle verwenden, reduzieren organische Verbindungen in begrenztem Umfang und fügen den Verbindungen typischerweise nur ein einziges Elektron hinzu. Der als Einzelelektronentransfer (SET) bezeichnete Prozess muss mehrmals durchgeführt werden, bis die gewünschte Anzahl an Elektronen hinzugefügt wird, um die angestrebte Esterreduktion zu erreichen.

„Im letzten Jahrzehnt haben photokatalytische Reaktionen als wünschenswerte Methoden, die für die Ziele der nachhaltigen Entwicklung der Vereinten Nationen (SDGs) in der organischen Synthese geeignet sind, große Aufmerksamkeit erregt“, sagte Co-Korrespondent Shintaro Okumura, Assistenzprofessor am Institute of Molecular Sciences (IMS). . ) der NINS.

„Photokatalysatoren fördern Redoxreaktionen mit sichtbarem Licht als Energiequelle in Abwesenheit von Metallreduktionsmitteln. Allerdings sind photokatalytische Reaktionen über einen Mehrelektronentransferprozess weniger entwickelt, so dass die photokatalytische Reduktion von Estern zur Bildung von Alkoholen, die vier Elektronen erfordert, unterentwickelt ist.“ „Die photokatalytische Reduktion von Estern zu Alkoholen ist eine gewaltige Herausforderung, da sie einen beispiellosen aufeinanderfolgenden Vierfach-SET-Prozess erfordert“, sagte Okumura.

Um diesen vierfachen SET-Prozess zu erreichen, entwickelten die Forscher einen neuen Photokatalysator, den sie „N-BAP“ nannten. Bei Bestrahlung mit blauem Licht löst der Photokatalysator die Reaktion aus, bei der eine chemische Gruppe entsteht, die mit Wasser und einer zweiten chemischen Gruppe auf Kohlenstoffbasis reagiert. Durch die Zugabe von Oxalat, einem negativ geladenen Molekül, das in der Natur weit verbreitet ist, können bei der Reaktion vier Elektronen in schneller Folge hinzugefügt werden, was zu den gewünschten Alkoholen führt.

„Die Kombination des N-BAP-Katalysators mit Oxalat als spurenlosem Reduktionsmittel ermöglicht die schnelle sequentielle Reduktion von Vierelektronenestern zur Erzeugung von Carbinol-Anionen mit anschließender Protonierung zu Alkoholen“, sagte Okumura.

„Diese Arbeit könnte den Weg für eine weitere Umwandlung von Estern ebnen und soll als grüne organische Synthese, die für die SDGs geeignet ist, zu einer nachhaltigen Gesellschaft beitragen.“