Ping-pong con i fotoni: la luce come strumento per una chimica nuova e soprattutto sostenibile
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In termini di progressi nelle conoscenze, la fotocatalisi è attualmente all'avanguardia nella chimica. In questo campo, la dottoressa Jola Pospech e il suo team dell'Istituto Leibniz per la catalisi di Rostock stanno sviluppando nuovi approcci per i classici percorsi di reazione. Un esempio è l'idrofunzionalizzazione di prodotti preziosi come le ammine bioattive, presenti naturalmente nei neurotrasmettitori e importanti per la ricerca farmacologica. Nelle sue lezioni, la dott.ssa Pospech utilizza immagini concise per spiegare la fotocatalisi agli studenti del primo anno.
La fotocatalisi richiede luce e il gruppo di ricerca della dott.ssa Jola Pospech utilizza spesso luci da discoteca prodotte in serie come fonte di luce in laboratorio: la luce nera. Il nome curioso si riferisce ai LED della gamma ultravioletta, la luce UV-A, che è appena visibile ed è tanto popolare in odontoiatria quanto nelle discoteche.
"Nel nostro caso, questa luce ha la lunghezza d'onda giusta per innescare reazioni chimiche", spiega la dottoressa Jola Pospech. "Puntiamo il pannello LED sul recipiente di reazione, dove i fotoni colpiscono le coppie di elettroni esterni delle sostanze coinvolte, nel nostro caso il catalizzatore, che entra in quello che è noto come stato eccitato". Ciò significa che ora è in grado di rilasciare o accettare un elettrone e quindi di attivare i materiali chimici di partenza. In definitiva, si formano nuovi composti chimici quando le sostanze coinvolte si scambiano o condividono gli elettroni.
Catalisi fotoredox
Prendiamo due reazioni fondamentali in chimica: l'ossidazione e la riduzione. Per l'ossidazione, il catalizzatore dona un elettrone e lo riprende alla fine del ciclo. Al contrario, per la riduzione, accetta un elettrone e lo rilascia nuovamente alla fine. "Si può immaginare il tutto come una partita di ping-pong", dice la dottoressa Pospech e lo spiega usando la catalisi fotoredox, che combina entrambe le reazioni.
Jola Pospech: "Immaginate di avere due palline nella tasca dei pantaloni. Quando c'è un aumento di energia causato dal fotone, una pallina, cioè un elettrone, si sposta al livello superiore". La mano di Jola Pospech si muove con la palla immaginaria dalla tasca sopra la testa. "La tasca ora ha accesso e spazio per nuovi giocatori. È così che si innescano le reazioni chimiche. Una volta che i materiali di partenza sono stati convertiti, la palla può essere rilasciata dalla mano e il ciclo ricomincia da capo". La palla immaginaria finisce di nuovo nella tasca dei pantaloni.
Esempio: Idrofunzionalizzazione
Per secoli la chimica ha funzionato come segue: I chimici riscaldavano i loro recipienti di reazione per attivare le sostanze all'interno. "Con la luce posso superare la barriera di attivazione molto più velocemente e con una quantità di energia molto maggiore", spiega Jola Pospech. Grazie alla moderna tecnologia LED, la lunghezza d'onda della sorgente luminosa può essere adattata con precisione allo spettro di assorbimento del catalizzatore.
Come esempio, il chimico cita l'idrofunzionalizzazione, un percorso di reazione molto diffuso e molto "efficiente dal punto di vista dell'atomo": le sostanze coinvolte vengono convertite fino all'ultimo atomo, senza alcun sottoprodotto. In questo modo si ottengono prodotti preziosi come le ammine bioattive, presenti naturalmente nei neutrasmettitori e importanti per lo sviluppo di principi attivi.
Finora, molte di queste reazioni sono state effettuate utilizzando catalizzatori a base di metalli scarsi e costosi, con molti passaggi intermedi, co-catalizzatori e i cosiddetti reagenti sacrificali. Jola Pospech: "Questi servono solo a donare un elettrone aggiuntivo in modo che un altro elettrone possa cambiare partner nel punto appropriato in modo energeticamente favorevole".
Catalizzatori organici come alternativa
Come alternativa, il suo gruppo di ricerca ha sviluppato catalizzatori fotoredox organici a base di azoto, idrogeno, ossigeno e carbonio. "I composti che utilizziamo sono economici da produrre, possono essere attivati con precisione e rapidità utilizzando la luce nera e sono meccanicamente multifunzionali". Ciò rende obsoleti i co-catalizzatori e i reagenti sacrificali.
I chimici di Rostock stanno attualmente cercando di conferire a questo catalizzatore una funzione selettiva incorporandovi degli amminoacidi. Ciò dovrebbe aiutare a produrre molecole destrorse e sinistrorse in modo guidato dalla luce. Per questo, il catalizzatore ha bisogno di un "senso spaziale", per così dire, di informazioni stereo. Secondo l'idea di Jola Pospech, gli aminoacidi potrebbero trasmettere tali informazioni stereo perché hanno strutture tridimensionali definite.
Secondo la dott.ssa Pospech, gli operatori del settore sono decisamente motivati a utilizzare questi risultati della ricerca di base per scopi industriali. Almeno a lungo termine. "Ogni grande azienda chimica ha oggi dipartimenti di ricerca per la fotocatalisi e l'elettrochimica". LIKAT ha il polso della situazione, per così dire.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Tedesco può essere trovato qui.
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