שחר של כימיה ירוקה: חוקרים חושפים עלייה פי עשרה ביעילות התגובה

כל מי שרוצה לייצר תרופות, פלסטיק או דשן בשיטות קונבנציונליות צריך חום לתגובות כימיות – אבל לא כך בפוטוכימיה, שבה האור מספק את האנרגיה. התהליך להשגת המוצר הרצוי גם לוקח לעתים קרובות פחות שלבי ביניים.

חוקרים מאוניברסיטת באזל הולכים כעת צעד אחד קדימה ומדגימים כיצד ניתן להגביר פי עשרה את היעילות האנרגטית של תגובות פוטוכימיות. יישומים בני קיימא וחסכוניים יותר קרובים כעת באופן מגרה.

תגובות כימיות תעשייתיות מתרחשות בדרך כלל במספר שלבים על פני מוצרי ביניים שונים. הפוטוכימיה מאפשרת קיצורי דרך, כלומר נדרשים פחות שלבי ביניים. הפוטוכימיה גם מאפשרת לך לעבוד עם חומרים פחות מסוכנים מאשר בכימיה קונבנציונלית, מכיוון שאור מייצר תגובה בחומרים שאינם מגיבים היטב בחום. עם זאת, עד לנקודה זו לא היו יישומים תעשייתיים רבים לפוטוכימיה, בין השאר משום שאספקת אנרגיה עם אור היא לרוב לא יעילה או יוצרת תוצרי לוואי לא רצויים.

קבוצת המחקר בראשות פרופסור אוליבר ונגר מאוניברסיטת באזל מתארת ​​כעת עיקרון בסיסי שיש לו השפעה חזקה באופן בלתי צפוי על היעילות האנרגטית של הפוטוכימיה ויכול להגביר את מהירות התגובות הפוטוכימיות. התוצאות שלהם מתפרסמות ב כימיה של הטבע.

במקרה של תגובה מסוג זה, מולקולות ההתחלה נמצאות בתמיסה נוזלית. אם הם מקבלים אנרגיה בצורה של אור, הם יכולים להחליף אלקטרונים אחד עם השני וליצור רדיקלים. מולקולות ריאקטיביות קיצוניות אלו מתרחשות תמיד בזוגות ונשארות מוקפות בממס, אשר עוטף את זוגות הרדיקלים כמו סוג של כלוב. כדי שהרדיקלים יוכלו להמשיך ולהגיב לתוצרי המטרה הרצויים, הם צריכים "לפרוץ" מהכלוב הזה ולמצוא שותף לתגובה מחוצה לו. הצוות המקיף את ונגר והפוסט-דוקטורט שלו ד"ר קוי וואנג זיהה את תהליך הפריצה הזה כצעד מכריע המגביל את היעילות האנרגטית ואת מהירות התגובות הפוטוכימיות.

רדיקלים משתחררים

כל עוד הרדיקלים נשארים בזוגות בכלוב הממס, הם יכולים להגיב באופן ספונטני זה עם זה בחזרה לתוך חומרי המוצא. תגובה הפוכה זו מבזבזת אנרגיה מכיוון שהיא משתמשת רק באור שכבר נקלט כדי לחזור לנקודת ההתחלה. צוות באזל הצליח להאט את התגובה ההפוכה הזו ולכן לתת לרדיקלים יותר זמן לצאת מהכלוב. ככל שהתגובה ההפוכה הלא רצויה הלכה והתארכה, כך הצליחו יותר רדיקלים לפרוץ, וכך התפתחו מוצרי המטרה הרצויים יעילים יותר ומהירים יותר.

וואנג, שכיום מכהנת בתפקיד עוזר פרופסור באוניברסיטת אוסנברוק, השתמשה בשני צבעים מסוימים במחקרה, שניהם סופגים אור ואוגרים את האנרגיה שלו לתקופה קצרה לפני שהשתמשה בו ליצירת זוגות של רדיקלים. עם זאת, אחד משני הצבעים שנבדקו הצליח לאגור יותר אנרגיה משמעותית מהשני ולהעביר אותה לרדיקלים. בשל האנרגיה הנוספת, הרדיקלים הצליחו לעזוב את כלוב הממס עד פי עשרה ביעילות רבה יותר. כתוצאה מכך, מוצרי היעד מיוצרים ביעילות אנרגטית גבוהה פי עשרה. "הקשר הישיר הזה בין הרדיקלים הפורצים מכלוב הממס לבין היווצרות יעילה של מוצרי המטרה ברור להדהים", קבע וואנג.

צבעים הם המפתח

הממצא העיקרי הוא שצבעים מסוימים יכולים לשחרר יותר רדיקלים מאחרים לפי כמות האור הנספגת. "בחירת הצבע יכולה לשמש כדי להגביר את היעילות האנרגטית של תגובות פוטוכימיות", מדגיש ונגר. בתורו, הוא קובע כי יעילות אנרגטית היא גם קריטריון מכריע לשימוש תעשייתי בפוטוכימיה.