Drastische Beschleunigung photochemischer Reaktionen

In dem mehrfach gewundenen, 25 Meter langen Schlauch mit einem Innen­durch­messer von einem Millimeter initiiert das Sonnen­licht in den Mini­kapillaren photo­chemische Reaktionen, wie sie auch bei der Photo­synthese ablaufen (Bild: JGU)

Wissenschaftler der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz haben einen einfachen Mini­reaktor aus einem in Maschen­draht gefloch­tenen dünnen Kunst­stoff­­schlauch entwickelt, in dem chemische Reaktionen unter dem Einfluss von Sonnen­licht als einziger Energie­quelle wesentlich schneller ablaufen als in herkömm­lichen Aufbauten. Dies verkürzt nicht nur die Reaktions­zeit, sondern trägt insbe­sondere auch zur Umwelt­freundlich­keit und Nachhal­tigkeit bei. Die Arbeitsgruppe von Till Opatz am Institut für Organische Chemie nutzt dazu einen mehrfach gewundenen, 25 Meter langen Schlauch mit einem Innen­durch­messer von einem Millimeter. Das Sonnen­licht initiiert in den Mini­kapillaren photo­chemische Reaktionen, wie sie beispielweise auch bei der Photo­synthese ablaufen. „Wir haben insgesamt 13 Reaktionen getestet und eine drastische Erhöhung der Reaktions­geschwindigkeit gesehen“, erklärt Opatz. Der Sunflow-Reaktor ist somit wesentlich effi­zienter als andere Vorrichtungen mit klassischen Reaktions­gefäßen, beleuchtet durch Energie­spar­lampen oder Leucht­dioden.

„Grüne Chemie“ ist ein Wachstumsfeld, das hohe Erträge mit der Verwendung von erneuerbaren Ausgangs­materialien und energie­sparenden Techniken erreichen möchte, ohne Schwermetalle oder andere toxische Substanzen einzusetzen. Im Falle von photo­chemischen Reaktionen liefert Licht­einstrah­lung die Energie, um bestimmte chemische Reaktionen in Gang zu setzen. Große Photo­reaktoren haben in technischer Hinsicht allerdings verschiedene Nachteile. Vor allem benötigen sie eine relativ lange Ein­strahlungs­zeit, was bei der Nutzung von Sonnen­licht durch den Tag-Nacht-Wechsel oder einen Wetter­umschwung proble­matisch ist.

Im Sunflow-Reaktor der Mainzer Arbeitsgruppe wird im Gegensatz dazu mit einem dünnen Schlauch eine sehr große Ober­fläche geschaffen, die von der Sonne bestrahlt werden kann. Dadurch werden die jeweiligen Reaktionen wesent­lich beschleunigt. So konnten die Chemiker der JGU bei gleichem Ertrag die Reak­tions­zeit für bestimmte Prozesse von sechzehn Stunden auf drei Minuten verkürzen. Dabei wurde mit unter­schied­lichen Wellen­längen experi­mentiert, auch mit Reaktionen, die UV-Strahlung benötigen. „Der UV-Anteil im Sonnen­licht ist eher gering, weshalb wir besonders froh über die überra­schend schnellen Umsetzungen waren“, merkt Opatz an. Für die Reaktion selbst ist das Licht­spektrum meist ohne Belang, weil aus dem Sonnen­licht die jeweils „passenden“ Photonen für den Fortgang der Reaktion heraus­gefiltert werden.

„Der Sunflow-Reaktor ist einfach zu bauen und absolut erschwing­lich für jede Arbeits­gruppe, die an umwelt­freund­licher Photo­fluss­chemie interes­siert ist“, schreiben die Wissen­schaftler in ihrer Veröffentlichung. Vergleichbar effiziente und umwelt­freundliche Appara­turen für Anwendungen wie Photo­redox- und Wasser­stoff­atom­transfer-Chemie sind bislang nicht bekannt. Die Opatz-Gruppe nutzt die neue Technik künftig in breitem Umfang für ihre eigenen Arbeiten in der Photo­chemie. (Quelle: JGU)

Referenz: A. M. Nauth et al.: Sunflow: Sunlight Drives Fast and Green Photochemical Flow Reactions in Simple Microcapillary Reactors – Application to Photoredox and H-Atom-Transfer Chemistry, Eur. J. Org. Chem. 15, 2099, online 18. April 2017; DOI: 10.1002/ejoc.201601394

Link: Forschung AK Opatz, Institut für Organische Chemie, Johannes-Gutenberg-Universität Mainz 

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