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Neue Arzneimittel, sauberere Kraftstoffe, biologisch abbaubare Kunststoffe: Um den Bedürfnissen der Gesellschaft gerecht zu werden, müssen Chemiker neue Synthesemethoden entwickeln, um neue Produkte zu erhalten, die in ihrer natürlichen Form nicht existieren. Eine Forschungsgruppe der Universität Genf (UNIGE) hat in Zusammenarbeit mit der Universität Cardiff herausgefunden, wie man ein externes elektrisches Feld nutzen kann, um eine chemische Reaktion zu steuern und zu beschleunigen, ähnlich einem "Schalter". Diese Arbeit, die in Science Advances zu lesen ist, könnte erhebliche Auswirkungen auf die Entwicklung neuer Moleküle haben, da sie nicht nur eine umweltfreundlichere Synthese, sondern auch eine sehr einfache externe Steuerung einer chemischen Reaktion ermöglicht.
In der Chemie wird die Herstellung komplexer organischer chemischer Verbindungen aus einfacheren Reagenzien als "organische Synthese" bezeichnet. Durch aufeinanderfolgende Reaktionen bauen Chemiker kleine Moleküle zusammen, um schliesslich die gewünschten Produkte zu bilden. Die organische Synthese ist entscheidend für die Herstellung von Arzneimitteln, Polymeren, Agrochemikalien, Pigmenten und Duftstoffen. Diese aufeinanderfolgenden Schritte sind äusserst präzise und schwierig zu steuern. Um die erforderlichen Ressourcen zu begrenzen, sollte die Ausbeute jedes Reaktionsschritts optimal sein. Eine bessere Kontrolle und eine einfachere Durchführung dieser Reaktionen ist nach wie vor eine grosse Herausforderung für die Forschung.
Jede molekulare Umwandlung ist das Ergebnis von Elektronen - negativ geladenen Elementarteilchen -, die sich von einem Ort im Molekül zu einem anderen bewegen", erklärt Stefan Matile, ordentlicher Professor in der Abteilung für organische Chemie an der naturwissenschaftlichen Fakultät der UNIGE und Teil des Nationalen Forschungsschwerpunkts (NCCR) Molecular Systems Engineering, der die Studie leitete. Elektronen können durch ein äusseres elektrisches Feld beeinflusst werden. Es ist daher theoretisch möglich, chemische Reaktionen elektrisch zu steuern. Obwohl dieser Ansatz prinzipiell einfach ist und vielversprechende Auswirkungen hat, stösst er an verschiedene Grenzen, und die wenigen Umsetzungen haben sich als unzureichend erwiesen.
Ein lang erwarteter Durchbruch
Stefan Matile und sein Kollege von der Universität Cardiff, Professor Thomas Wirth, haben mit ihren Teams eine organisch-chemische Reaktion mit einem einfachen elektrischen Feld aktiviert. Zu diesem Zweck haben sie einen elektrochemischen mikrofluidischen Reaktor entworfen. Ihre Ergebnisse zeigen deutlich die Abhängigkeit zwischen dem Fortschrittszustand der chemischen Reaktion und der Intensität des angelegten elektrischen Feldes. Mit diesem Gerät kann eine chemische Reaktion durch einfaches Umlegen eines Schalters aktiviert werden.
Diese Art von Reaktor hat die Form eines kleinen Kastens, in dem das Reaktionsgemisch zwischen zwei Elektroden zirkulieren kann, die das elektrische Feld erzeugen. Bei den Elektroden handelt es sich um 5 cm x 5 cm grosse quadratische Platten, die so dicht wie möglich beieinander liegen. Sie sind durch eine Viertelmillimeter dicke Platte getrennt. Diese Platte enthält den Strömungskanal, durch den die Moleküle zwischen den Elektroden zirkulieren", erklärt Ángeles Gutiérrez López, Doktorandin in der Gruppe von Stefan Matile und Erstautorin der Arbeit.
Die Elektroden sind mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen beschichtet. Beim Durchströmen des Reaktors treten die Reaktanten in eine schwache Wechselwirkung mit den Kohlenstoffnanoröhrchen und setzen sie dem elektrischen Feld aus. Dies führt zu einer elektronischen Polarisierung des Moleküls und aktiviert die chemische Umwandlung.
Auf dem Weg zu einer umweltfreundlicheren Aktivierung von chemischen Reaktionen?
Um die gewünschten chemischen Bindungen mit hoher Ausbeute herzustellen, wenden Chemiker in der Regel komplexe, mehrstufige Strategien an, die zahlreiche Zwischenprodukte einschliessen. Diese Strategien erfordern erhebliche Ressourcen und Energie. Das von Stefan Matile und Thomas Wirth vorgeschlagene neue elektrische Gerät könnte diese Strategien vereinfachen und so die Auswirkungen chemischer Synthesen auf den Kohlenstoffgehalt verringern.
Das Gerät hat den Vorteil, dass es einfach zu steuern ist. Unser 'Reaktor' ähnelt in gewisser Weise dem Teilchenbeschleuniger am CERN in Genf, aber anstatt subatomare Teilchen zu beschleunigen, beschleunigt er die Elektronen bei molekularen Umwandlungen", erklärt Stefan Matile. Es bedarf noch grundlegender Fortschritte, um das volle Potenzial des Geräts zu erschliessen. Diese Methode könnte jedoch in nicht allzu ferner Zukunft in der organischen Chemie angewandt werden und die Herstellung von Medikamenten, neuen Kraftstoffen oder neuen Kunststoffen umweltfreundlicher und kontrollierbarer machen.
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