17.01.2022 - Gwangju Institute of Science and Technology (GIST)

Im Scheinwerferlicht eingefroren: Wissenschaftler entwickeln Katalysator, der sich bei Beleuchtung abschaltet

Der erste intelligente Katalysator seiner Art könnte die Synthese anspruchsvoller Chemikalien und neue Arten der Fotolithografie erleichtern

Katalysatoren sind Verbindungen, die gewünschte chemische Reaktionen ermöglichen und beschleunigen, ohne sich selbst zu zersetzen, und spielen in praktisch allen Bereichen der angewandten Chemie eine zentrale Rolle. In den letzten Jahrzehnten haben viele Forscher versucht, so genannte "intelligente" Katalysatoren zu entwickeln, um die Synthese anspruchsvoller Chemikalien zu erleichtern. Im Allgemeinen kann die Reaktivität intelligenter Katalysatoren durch einen externen Stimulus gesteuert werden, z. B. durch Senkung der Temperatur oder Erhöhung des Säuregehalts des Mediums, was sie vielseitiger macht als herkömmliche Katalysatoren.

In einem kürzlich unternommenen Versuch, einen neuen intelligenten Katalysator auf den Tisch zu bringen, konzentrierten sich Wissenschaftler des Gwangju Institute of Science and Technology in Korea auf ein besonderes organisches Molekül namens Azobenzol. Diese Verbindung unterliegt einer reversiblen Strukturveränderung, wenn sie mit Licht einer bestimmten Frequenz beleuchtet wird. Obwohl diese Eigenschaft bereits für die Entwicklung lichtempfindlicher Polymere und Proteine genutzt wurde, haben nur wenige ihr Potenzial für die Entwicklung intelligenter Übergangsmetallkatalysatoren erforscht. Daher versuchte das Forscherteam unter der Leitung von Professor Sukwon Hong, Azobenzol in cyclisches (Alkyl)(Amino)carben-Ruthenium (CAAC-Ru) einzubringen, einen etablierten Katalysator, der häufig in Olefinmetathese-Reaktionen zur Herstellung von Medikamenten, Kosmetika und anderen komplexen Chemikalien verwendet wird. Ihre Studie wurde in ACS Catalysts veröffentlicht.

Sie modifizierten CAAC-Ru strategisch so, dass die aktive Rutheniumstelle je nach der Form der eingefügten Azobenzolgruppe entweder mehr oder weniger den Reaktanten ausgesetzt ist. Auf diese Weise erzeugten sie ein Paar photoschaltbare Katalysatoren mit einer Besonderheit, wie Prof. Hong erklärt: "Im Gegensatz zu den bisher bekannten photoempfindlichen Katalysatoren, bei denen Licht die katalytische Reaktion in Gang setzt, zeigen unsere Katalysatoren das gegenteilige Verhalten, d. h. sie deaktivieren sich, wenn sie mit ultraviolettem (UV) Licht beleuchtet werden, und bieten damit eine neue Art des Photoschaltens." In weiteren Experimenten konnte das Team auch die Umkehrbarkeit des Photoswitching-Mechanismus nachweisen und zeigen, dass die Reaktionen durch einfaches Umschalten der UV-Lichtquelle wiederholt ein- und ausgeschaltet werden können.

Die Verwendung von Licht zur Aktivierung oder Deaktivierung eines Katalysators ist praktisch, da Licht nicht invasiv ist und sich bemerkenswert einfach mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung manipulieren lässt. Daher können die entwickelten Katalysatoren effizient eingesetzt werden, um eine gewünschte chemische Reaktion nur bei Bedarf und genau an der gewünschten Stelle in Gang zu setzen. Dies ist von entscheidender Bedeutung für Anwendungen wie die Fotolithografie, bei der mit Hilfe chemischer Masken mikroskopische Muster auf dünnen Schichten erzeugt werden. Eine weitere interessante Anwendung wäre die Entwicklung eines kooperativen Katalysatorsystems mit zwei verschiedenen photoschaltbaren Katalysatoren - einem, der durch Licht aktiviert wird, und einem mit entgegengesetztem Verhalten -, um die kontrollierte Herstellung komplexer Substanzen zu ermöglichen. "Langfristig wird die Entwicklung intelligenterer Katalysatoren viel anspruchsvollere Synthesemechanismen zur Herstellung von Chemikalien ermöglichen, die das tägliche Leben der Menschen verbessern", schließt Prof. Hong.

Die Zeit wird zeigen, welche intelligenten Anwendungen wir für solche intelligenten Katalysatoren finden werden!

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