Sichtbares Licht und Nanopartikel-Katalysatoren erzeugen wünschenswerte bioaktive Moleküle

Chemiker der Northwestern University haben sichtbares Licht und extrem kleine Nanopartikel verwendet, um schnell und einfach Moleküle herzustellen, die der gleichen Klasse wie viele Leitverbindungen für die Medikamentenentwicklung angehören.

Die Nanopartikel-Katalysatoren führen chemische Reaktionen mit sehr spezifischen chemischen Produkten durch - Moleküle, die nicht nur die richtigen chemischen Formeln haben, sondern auch eine spezifische Anordnung ihrer Atome im Raum. Und der Katalysator kann für weitere chemische Reaktionen wiederverwendet werden.

Die Halbleiternanopartikel werden als Quantenpunkte bezeichnet - so klein, dass sie nur wenige Nanometer groß sind. Aber die kleine Größe ist Leistung, die dem Material attraktive optische und elektronische Eigenschaften verleiht, die bei größeren Längen nicht möglich sind.

"Quantenpunkte verhalten sich eher wie organische Moleküle als Metallnanopartikel", sagt Emily A. Weiss, die die Forschung leitete. "Die Elektronen werden auf so kleinem Raum zusammengepresst, dass ihre Reaktionsfähigkeit den Regeln der Quantenmechanik folgt. Wir können dies nutzen, zusammen mit der Templating-Power der Nanopartikeloberfläche."

Diese kürzlich von der Zeitschrift Nature Chemistry veröffentlichte Arbeit ist die erste Verwendung der Oberfläche eines Nanopartikels als Vorlage für eine lichtgesteuerte Reaktion, die als Cycloaddition bezeichnet wird, ein einfacher Mechanismus zur Herstellung sehr komplizierter, potenziell bioaktiver Verbindungen.

"Wir nutzen unsere Nanopartikel-Katalysatoren, um diese wünschenswerte Klasse von Molekülen, die als tetrasubstituierte Cyclobutane bezeichnet werden, durch einfache, einstufige Reaktionen zu erreichen, die nicht nur die Moleküle in hoher Ausbeute produzieren, sondern auch die Anordnung der für die Medikamentenentwicklung wichtigsten Atome", sagte Weiss. "Diese Moleküle sind schwer anders herzustellen."

Weiss ist Mark und Nancy Ratner Professorin für Chemie am Weinberg College of Arts and Sciences. Sie ist spezialisiert auf die Steuerung lichtgetriebener elektronischer Prozesse in Quantenpunkten und deren Verwendung, um lichtgetriebene Chemie mit beispielloser Selektivität durchzuführen.

Die Nanopartikelkatalysatoren nutzen Energie aus sichtbarem Licht, um Moleküle auf ihrer Oberfläche zu aktivieren und zu größeren Molekülen in Konfigurationen zu verschmelzen, die für biologische Anwendungen geeignet sind. Das größere Molekül löst sich dann leicht vom Nanopartikel und gibt das Nanopartikel frei, um es in einem weiteren Reaktionszyklus wieder zu verwenden.

In ihrer Studie verwendeten Weiss und ihr Team Drei-Nanometer-Nanopartikel aus dem Halbleiter Cadmium-Selenid und eine Vielzahl von Startermolekülen, die Alkene in Lösung genannt werden. Alkene haben Kern-Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen, die zur Bildung der Cyclobutane benötigt werden.