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StartseiteForschung aktuellLicht als Zutat für chemische Reaktionen09.07.2018

PhotochemieLicht als Zutat für chemische Reaktionen

Jeder Baum, jede Blume, jeder Grashalm braucht Licht, um zu wachsen. Das Licht liefert die Energie, um aus dem Kohlendioxid der Luft chemisch komplexe Substanzen aufzubauen. Ein ganz ähnliches Prinzip versuchen Chemiker für die Synthese im Labor zu nutzen. Photokatalyse nennt sich die Methode.

Von Arndt Reuning

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Welke Blätter einer Buche leuchten im Sonnenlicht in einem Wald (picture alliance / dpa / Patrick Pleul)
Vorbild für die Synthese im Labor: Licht liefert Pflanzen Energie, um komplexe chemische Verbindungen aufzubauen. (picture alliance / dpa / Patrick Pleul)
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Unter einem Reagenz verstehen Synthesechemiker eine Zutat für eine chemische Reaktion. Burkhard König, Professor an der Universität Regensburg, beschäftigt sich mit einem ganz besonderen Reagenz, mit Licht.

"Licht als Reagenz ist natürlich besonders interessant, weil es leicht – gerade sichtbares Licht – leicht zu erzeugen ist. Es ist nicht giftig. Man kann es in großen Mengen einsetzen, es verschwindet im Überschuss von selbst wieder. Also besser, als wenn man einen chemischen Stoff zusetzt."

UV-Licht verursacht auch unerwünschte Nebenreaktionen

Photochemie nennt sich das. Und neu ist diese Idee nicht gerade. Das Licht liefert die Energie, um die Reaktion anzutreiben. Die Lichtquellen jedoch haben sich im Lauf der Zeit gewandelt: Bisher wurde üblicherweise das Reaktionsgemisch mit hochenergetischem Licht aus UV-Lampen bestrahlt. Eine Holzhammermethode, wie Burkhard König findet, denn das UV-Licht verursacht auch unerwünschte Nebenreaktionen. Der Chemiker aus Regensburg bestrahlt seine Reaktionsgefäße daher mit Leuchtdioden, die ein intensives, farbiges Licht abgeben und dabei doch hoch energie-effizient und damit kostengünstig arbeiten. Eine Herausforderung ist dabei jedoch zu überwinden, sagt er.

"Die Stoffe, die chemischen Stoffe, die wir umsetzen wollen, die absorbieren gar kein sichtbares Licht. Die sind also typischerweise für unseren Eindruck weiß, farblos. Und jetzt setzen wir in kleiner Menge eine Substanz zu, die ist farbig."

Dieser Farbstoff heißt Photokatalysator und wird zusammen mit den gelösten Ausgangssubstanzen für die Reaktion in ein Gefäß gegeben, das einem kleinen Marmeladenglas ähnelt. Mit Leuchtdioden wird die farbige Flüssigkeit von der Seite her bestrahlt. Dieses einfarbige LED-Licht schluckt der Photokatalysator. Die Energie wandelt er um und gibt sie an die Reaktionspartner weiter.

Wie eine Batterie, die mit Lichtenergie aufgeladen wird

"Der Photokatalysator, den kann man sich vorstellen wie eine kleine Batterie, eine molekulare Batterie. Ich lade ihn also mit Lichtenergie auf. Und wenn jetzt der Photokatalysator mit einem Molekül reagiert, überträgt er ein Elektron zu dem Molekül oder von dem Molekül."

Und damit stößt er dann die Umwandlung der Reaktionspartner an. So kann zum Beispiel Vitamin B2 als Photokatalysator dienen. Burkhard König hat den gelben Naturstoff verwendet, um damit Benzylalkohol umzuwandeln zu Benzaldehyd. Das ist eine oft genutzte Grundchemikalie, zum Beispiel für die Herstellung von Farbstoffen. Um zu verhindern, dass Benzaldehyd bei dieser Umwandlung zur Benzoesäure weiterreagiert, ist es wichtig, dass die Reaktion unter milden Bedingungen abläuft. Für solche empfindlichen Reaktionen eigne sich ein Photokatalysator besonders gut. Denn er stelle ein sehr feines Synthesewerkzeug dar, mit dem sich zielgenau arbeiten lasse, argumentiert der Regensburger Forscher.

"Normalerweise in der Chemie, auch so das klassische Bild: Häufig muss man schon das Reaktionsgemisch erwärmen. Oder ich setze relativ reaktive Substanzen hinzu, um den Umsatz auszulösen. Mit Hilfe der Sichtbaren-Licht-Photokatalyse können Sie bei Raumtemperatur mit grünem Licht arbeiten und trotzdem in Ihrem Reaktionsgemisch hoch reaktive Zwischenstufen erzeugen, Intermediate erzeugen, die dann selektiv ein Molekül funktionalisieren."

Eine Renaissance der Photokatalyse

Die Photokatalyse habe daher in den vergangenen zehn, fünfzehn Jahren eine Renaissance erlebt, fügt Burkhard König hinzu.

"Viele Unternehmen sehen das als ein neues Werkzeug, um unter besonders milden Bedingungen sensitive Wirkstoffe und Medikamente herzustellen."

Die Pharmaindustrie ist daran interessiert, ihre bewährten Wirkstoffe mit neuen Eigenschaften zu versehen – ohne die etablierten Synthesewege verlassen zu müssen. Solch eine Eigenschaft ist zum Beispiel die Stabilität der Substanzen. So sorgen etwa fluorhaltige Molekülgruppen dafür, dass ein Medikament im Körper nicht so schnell abgebaut wird und seine heilende Wirkung länger entfalten kann. Mit Hilfe der Photokatalyse lassen sich diese Fluorgruppen bequem in pharmazeutische Wirkstoffe einführen, und das auch noch in einem späten Stadium der Synthese. Für solche Anwendungen sieht Burkhard König ein großes Potenzial für das Reagenz Licht.

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