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Photokatalyse

Die Sonne im Gepäck: Photochemie im Turbo-Modus

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Einfach und effizient: Der Sunflow-Reaktor

Unser Ziel war es, einen effizienten Photoreaktor zu konstruieren, der die Sonne als alleinige Energiequelle für chemische Reaktionen nutzbar macht und durch dünne Reaktionskapillaren hohe Reaktionsgeschwindigkeiten erreicht. Um die Nutzung der Methode für andere Forschungsgruppen zu erleichtern, sollte der Reaktor zudem möglichst einfach zu bauen und kostengünstig sein. Das Design bestand aus Volierendraht aus dem Baumarkt, in den eine Kapillare aus einem chemisch beständigen fluorierten Kunststoff (FEP, 25 m Länge, 1,0 mm Innendurchmesser) gewebt wurde. Zur Stabilisierung bei aufkommendem Wind wurde das Drahtgewebe an einer Holzplatte befestigt und an Stativstangen montiert. Durch den Einsatz eines T-Stücks kann zudem auch eine gasförmige Reaktionskomponente eingesetzt werden (Taylor-Flow). Der gesamte Aufbau hat einen Materialwert von lediglich ca. 80 Euro und konnte innerhalb weniger Stunden gebaut werden.

Reaktionen in Minuten statt in Stunden oder Tagen

Um die Funktion des Reaktors und dessen Vorteile gegenüber einer klassischen Reaktionsführung im Rundkolben zu erproben, wurden mehrere lichtinduzierte Reaktionen ausgewählt, die zuvor entwickelt worden waren. Zu diesen Reaktionen zählten eine Oxidation von Aminen mit sichtbarem Licht, eine radikalische C–C-Bindungsknüp- fung an Ethern/Alkoholen und eine so genannte Minisci-Kreuzkupplung, die beide den längerwelligen UV-Anteil des Sonnenlichtes benötigen. Bei allen drei Reaktionen wurden unter anderem Studien zur Reaktionsgeschwindigkeit durchgeführt, die eine drastische Erhöhung des Umsatzes pro Zeiteinheit zeigten. Hierbei liefen Reaktionen in wenigen Minuten ab, die im klassischen Aufbau und selbst mit speziell für diese Reaktionen geeigneten Lichtquellen mehrere Stunden benötigten. Zusätzlich wurden die so optimierten Reaktionen auf eine Reihe beispielhafter Ausgangsmaterialien angewendet.

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Zuerst wurde der Reaktor an einer oxidativen Cyanierung von Aminen durch sichtbares Licht getestet. Hierbei wurden zuerst verschiedene Katalysatoren an einem Modellsubstrat (N-Phenyl-1,2,3,4-tetrahydroisochinolin) untersucht, wobei sich der organische Farbstoff Bengalrosa als optimaler Katalysator herausstellte. Mit diesem wurden dann verschiedene Amine umgesetzt, wobei in allen Fällen sehr hohe Reaktionsgeschwindigkeiten beobachtet werden konnten. Gegenüber den sonst notwendigen Reaktionszeiten von mehreren Stunden konnten mit dem Sunflow-Reaktor innerhalb weniger Minuten sogar höhere Ausbeuten erreicht werden. Das gleiche Phänomen konnte bei einer UV-A-vermittelten C–C Kupplung mit Benzophenon als Photokatalysator beobachtet werden. Hier konnten Ether, Alkohole und geschützte Amine mit Benzoxazol in 20 bis 30 Minuten statt in 24 Stunden gekuppelt werden, ohne dass die erhaltenen Ausbeuten geringer waren.

Als drittes Beispiel wurde eine so genannte decarboxylierende Minisci-Kreuzkupplung mit Phenanthren als organischer Photokatalysator untersucht. Hierbei wurden Aminosäuren an Stickstoffheteroaromaten UV-B-induziert miteinander verknüpft. Innerhalb von einer Stunde Sonnenbestrahlung konnten vergleichbare Ausbeuten wie nach 24 h Bestrahlung mit einer starken Quecksilberdampflampe erreicht werden.

Mit diesen Beispielreaktionen konnte gezeigt werden, wie effizient ein solch simpler und günstiger Selbstbau-Reaktor sein kann. Bei vergleichbaren oder sogar höheren Ausbeuten konnten die Substrate in sehr kurzer Zeit umgesetzt werden. Die hohe Reaktionskinetik ermöglicht es zudem, trotz wolkiger Abschnitte und dem Tag-/Nacht-Wechsel die Sonne als ökonomische und ökologische Lichtquelle zu nutzen. Wird ein höherer Durchsatz gewünscht, können einfach mehrere Kapillaren parallel nebeneinander zum Einsatz kommen.

* A. M. Nauth und Prof. Dr. T. Opatz: Institut für Organische Chemie, Universität Mainz, 55128 Mainz

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