Chemiker verwenden Photokatalysator aus Harnstoff

Photosynthese oder “Chemie mit Licht“ – was uns die Natur und Pflanzen vormachen, hat die moderne Synthesechemie in den letzten Jahren „wiederentdeckt“ und zu einem sehr wertvollen Werkzeug der industriellen und universitären Erzeugung von Stoffen weiterentwickelt.

Dabei geht es nicht nur um Aufbau von Biomasse und Zuckern. Es werden im Labor auch ganz neue Reaktionswege möglich, beispielsweise die gleichzeitige Aktivierung von zwei Reagenzien (Stoff, der chemische Reaktionen bewirkt) oder die formale Insertion (Einbau) ganzer Moleküle in chemische Bindungen.

Dadurch wird Synthesechemie einfacher, umweltfreundlicher, und es können ganz neue Reaktionswege eröffnet werden.

Als Photokatalysatoren werden dabei verschiedene Metallkomplexe und organische Farbstoffe verwendet. Ihre geringe Stabilität und schwierige Wiederverwertung schränken aber eine breitere Anwendung ein. Zudem sind die Metallkomplexe zumeist aus zwei der seltensten Elemente dieser Welt aufgebaut, dem Ruthenium und Iridium. Das schränkt die breitere Nutzung stark ein.

Chemiker der Universität Regensburg und des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam berichten nun in der Fachzeitschrift Science über die Verwendung eines zweidimensionalen Materials als Photokatalysator in der organischen Synthese: Carbonnitrid.

Dieser Stoff besteht nur aus Kohlenstoff- und Stickstoffatomen. Das Material kann z. B. aus Harnstoff hergestellt werden und ist damit sehr preiswert. Es wurde bislang hauptsächlich für photokatalytische Wasserspaltung verwendet, doch hat es für die organische Synthese viel zu bieten. Seine physikalischen Eigenschaften ermöglichen es, die meisten gängigen molekularen Photokatalysatoren durch eine einzige Verbindung zu ersetzen. Die bemerkenswerte Stabilität und Heterogenität des Materials erlauben außerdem eine nachhaltige Nutzung.

Mit der Verwendung organischer Halbleiter wie Kohlenstoffnitrid zeigt das Forscherteam um Prof. Dr. Burkhard König vom Institut für Organische Chemie der Universität Regensburg auf der Basis der im MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung entwickelten Katalysatoren breitere Anwendungsmöglichkeiten von Licht als effizientes und sicheres Reagens in der organischen Synthese auf. Dadurch eröffnet sich eine Perspektive für photokatalytische Reaktionen in größerem Maßstab: „Licht in der Photoreaktion“ hilft, Chemie effizienter, nachhaltiger, umweltfreundlicher und damit auch unkomplizierter zu gestalten.

Prof. Dr. Burkhard König
Lehrstuhl für Organische Chemie
Universität Regensburg
Tel.: 0941 943-4576
E-Mail: Burkhard.Koenig@ur.de

Indrajit Ghosh, Jagadish Khamrai, Aleksandr Savateev, Nikita Shlapakov,
Markus Antonietti, Burkhard König, “Organic semiconductor photocatalyst can bifunctionalize arenes and heteroarenes”, Science (2019).
DOI: 10.1126/science.aaw3254