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Kohlendioxid-Fixierung mit Siliciumnanodrähten und Licht

15.06.2012 Amerikanische Wissenschaftler stellen in der Zeitschrift Angewandte Chemie ein Reaktionsschema vor, das Kohlendioxid bindet und der natürlichen Photosynthese stark ähnelt. Die zur Reaktion erforderliche Energie wird dabei mittels Siliciumnanodrähten aus Licht eingefangen. Auf diese Art und Weise wurden Vorstufen für die Pharmaka Ibuprofen und Naproxen hergestellt.

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Durch die Übertragung von Elektronen von der Photokathode werden aromatische Ketone „aktiviert“, sodass sie Kohlendioxid angreifen und dann als Hydroxysäure binden können (Bild: Wiley VCH)

Die natürliche Photosynthese setzt sich aus zwei Prozessen zusammen, den Lichtreaktionen und den Dunkelreaktionen. Während der Lichtreaktionen werden Photonen eingefangen und ihre Energie in Form von chemischen Verbindungen, wie NADPH (Nicotinsäureamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat) und ATP (Adenosintriphosphat), gespeichert, die anschließend genutzt werden, um CO2 für die Synthese komplexer Zuckermoleküle zu binden. Herzstück der Dunkelreaktionen ist die Bindung von CO2 an einen Phosphat-Zucker (Ribulose-1,5-bisphosphat). Dabei entsteht eine beta-Keto-Säure, die dann weiter zu einem zentralen Baustein für die Zuckersynthese umgesetzt wird.

Ein Team um Kian L. Tan und Dunwei Wang vom Boston College (Chestnut Hill, USA) hat sich von den Mechanismen der Dunkelreaktionen inspirieren lassen. Um das Sonnenlicht einzufangen, nutzen die Wissenschaftler p-dotierte Siliciumnanodrähte als Photokathode. Diese wandeln Solarenergie sehr effektiv in elektrische Energie um, sind leicht herstellbar und unter den Reaktionsbedingungen erstaunlich stabil. Treffen Photonen auf, werden in den Nanodrähten Elektronen aus Atomen freigesetzt. Diese Elektronen lassen sich sehr effektiv auf organische Moleküle übertragen und können so chemische Reaktionen auslösen. Die Forscher wählten aromatische Ketone als Ausgangsstoffe. Durch die Übertragung von Elektronen von der Photokathode werden sie „aktiviert“, sodass sie CO2 angreifen und binden können. In mehreren Schritten entsteht als Produkt dann eine alpha-Hydroxysäure. So gelang es dem Team, Vorstufen für die Schmerzmittel Ibuprofen und Naproxen hochselektiv und in hohen Ausbeuten herzustellen.

Die Reaktionsabfolge ähnelt stark der natürlichen Photosynthese und ist völlig anders als bisherige Ansätze zur Bindung von CO2 mithilfe von Sonnenlicht. Dabei löst sie endlich ein Problem: die sehr schlechte Selektivität, die die bisher übliche direkte Photoreduktion von CO2 automatisch mit sich bringt und bisherige Ansätze meist auf die Synthese von Kraftstoffen beschränkte. Die neue Strategie liefert nun die notwendige Selektivität, um komplexe organische Zwischenprodukte für die Produktion von Pharmaka und hochwertigen Feinchemikalien herzustellen.

(dw)

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