ACHEMA Newsroom

13.06.2018

Timothy Noel: Interdisziplinarität eröffnet neue Perspektiven

Sie kombinieren zwei wichtige Trends: Mikrofluidische Systeme, die kontinuierliche organische Synthesen ermöglichen, und Energieübertragung durch Licht statt durch Wärme. Was ist der größte Vorteil dieser Herangehensweise?

Der Einsatz von Mikroreaktoren bietet definitive große Vorteile für photochemische Umwandlungen, den sie gewährleisten einen homogenen Lichteinfall über das gesamte Reaktionsvolumen. Wegen des Bouguer-Lambert-Beer’schen Gesetzes wird Licht in Reaktionslösungen schnell absorbiert, und deshalb ist die Maßstabsvergrößerung bei photochemischen Reaktionen schwierig. Die Effizienz solcher Reaktoren würde rapide abnehmen, denn im Zentrum des Reaktors kommt kaum Licht an. Entsprechend verlängern sich oft die Reaktionszeiten für die vollständige Umsetzung. Außerdem kommt es auch zu einer Überbelichtung des Produkts, was zur Bildung von Nebenprodukten führen kann.

Der Ansatz meiner Gruppe drehte sich immer darum, echte Anwendungsprobleme in der organischen Synthese zu lösen. Die Schwierigkeiten beim Upscaling von photochemischen Reaktionen war eine wesentliche Motivation zu Beginn meiner unabhängigen Forschungskarriere. Wir sind das Problem angegangen, in dem wir Durchfluss-Photomikroreaktoren entwickelt haben. Und wenn man eine solche Aufgabe gelöst hat, sieht man typischerweise gleich die nächsten Fragen: Wie wäre es zum Beispiel mit dem Einsatz von Sonnenenergie für solche Reaktionen? Letztes Jahr haben wir in der „Angewandten Chemie“ einen Beitrag dazu veröffentlicht (Angewandte Chemie International Edition 2017, 56 (4), 1050-1054; VIP article). Der Artikel beschreibt die Entwicklung eines Photomikroreaktors mit einem lumineszierenden Solarkonzentrator. Unser Reaktor nutzt sowohl direktes als auch diffuses Licht, konvertiert es auf ein schmales Spektralband herunter und überträgt die Lumineszenz-Photonen in eingebettete Mikrodurchflusskanäle. So können wir weit mehr einfallendes Sonnenlicht nutzen – wie die photosynthetischen Systeme in einem Blatt. In den Kanälen kommen sieben Mal mehr Photonen an als bei anderen Verfahren. Und weil wir alle Energie herunterkonvertieren, können wir die Lichtfarbe genau auf die photokatalytische Umwandlung anpassen. Das heißt das „überflüssige“ Energie in nützliche Energie umgewandelt wird, Stichwort „Energie-Matching“.

Eine Sache, mit der wir an diesem Punkt noch nicht zurechtkamen, waren große Schwankungen beim Lichteinfall, beispielsweise durch vorbeiziehende Wollen. Das beeinflusst natürlich die Photochemie in den Kanälen: Weniger Licht bedeutet weniger Umwandlung, und so können variable Lichtbedingungen zu einem stark schwankenden Reaktionsergebnis führen. Vor kurzem konnten wir dieses Problem lösen: Ein Selbstoptimierungsprotokoll passt automatisch die Durchflussraten an und sorgt so für eine konstante Umsetzungsrate im Reaktor (Green Chemistry 2018, DOI: 10.1039/c8gc00613j). Die Lösung ist extrem kostengünstig und effizient. Ich glaube, diese Entdeckung bringt uns wieder einen Schritt näher an eine chemische Industrie, die mit Solarenergie betrieben wird.

Was ist die wesentliche Anwendung, die Sie sich für Ihre Arbeit vorstellen?

Wir wollen preiswerte und leicht zugängliche technologische Lösungen für wichtige chemische Fragestellungen entwickeln. Ein Großteil unserer Arbeit fokussiert auf die Entwicklung neuer Synthesemethoden und Technologien für die Photoredox-Katalyse. Wir hoffen, dass die Technologie, die wir im Labor entwickeln, eines Tages in der Industrie eingesetzt wird, etwa bei der Herstellung von Pharmazeutika. Im Moment arbeiten wir mit Forschern aus der pharmazeutischen Industrie und Technologieentwicklern zusammen, um unsere Technologie in tatsächliche Anwendungen umzusetzen.

Wir arbeiten aber nicht nur an Photochemie, sondern auch an technischen Lösungen für die Aktivierung von C-H-Bindungen, Enzymkatalyse und Elektrochemie.

Was mögen Sie an Ihrer Forschung am meisten?

Der interdisziplinäre Aspekt unserer Forschung ist wirklich spannend. Nur wenn man ein Problem aus verschiedenen Blickwinkeln betrachtet, kann man eine Lösung finden, die die  Anforderungen der einzelnen Disziplinen erfüllt. Ganz wichtig: Das liefert mir auch die Inspiration, um Probleme anzugehen, die sonst schwierig zu lösen sind. Ein Beispiel: Ein Schlüsselexperiment bei der mechanistischen Untersuchung photokatalytischer Reaktionen ist die sogenannte Stern-Volmer-Gleichung zum dynamischen Quenching, also zur Fluoreszenzlöschung. Dieser Versuch hat meine Studierenden viel Zeit gekostet, um verlässliche Daten zu gewinnen. Ein Tag bis hin zu einer vollen Woche war leider nicht ungewöhnlich, und sie waren sehr frustriert. Um das zu vermeiden, haben wir ein automatisiertes Versuchsprotokoll entwickelt, mit dem man diese Messungen sehr kontrolliert durchführen kann. Damit konnten wir nicht nur den Zeitaufwand für die Experimente auf weniger als eine Stunde reduzieren, sondern gleichzeitig die Genauigkeit der Messergebnisse steigern. Der Student erhält die Messergebnisse automatisch per E-Mail und kann seine Zeit nun viel produktiver einsetzen.

Erleben Sie Timothy Noel auf der ACHEMA mit seinem Plenarvortrag
"Visible-light photoredox catalysis in flow - towards a sustainable production of pharmaceuticals"
Donnerstag, 14. Juni 2018, 13.30 h, Halle 4 Saal Europa

Kategorie: #Besucher

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