À une certaine époque, vous pouviez vous promener dans les laboratoires des sociétés pharmaceutiques et ne voir presque jamais la lumière être utilisée pour arbitrer des réactions chimiques. Aujourd'hui, la « catalyse photoredox » est devenue un moyen essentiel de synthétiser de nouveaux composés organiques.

Ce type de chimie pourrait bientôt être utilisé encore plus largement et à moindre coût grâce aux chercheurs de l'Université de Rochester.

Dans un article publié récemment dans le Journal de l'American Chemical Society , les laboratoires de Todd Krauss et Daniel Weix démontrent pour la première fois comment les points quantiques électroluminescents peuvent être utilisés comme catalyseurs photoredox pour créer des liaisons carbone-carbone.

De plus, les chercheurs - dont Jill Caputo '16 (PhD) et Norman Zhao '17 du laboratoire de Weix et Leah Frenette '14 (MS) et Kelly Sowers '16 (PhD) du groupe de Krauss - ont montré que les points quantiques créent ces liens aussi efficacement que les catalyseurs aux métaux rares aujourd'hui utilisés en chimie photoredox, comme le ruthénium et l'iridium.

"L'impact potentiel pourrait être grand, " dit Weix, professeur agrégé au Département de chimie. Les liaisons carbone-carbone sont les éléments de base de nombreuses formes moléculaires, beaucoup d'entre eux sont essentiels aux fonctions biologiques.

Les points quantiques ont des applications potentielles dans la synthèse de produits pharmaceutiques, produits chimiques raffinés, produits chimiques en bon état, et agrochimiques. "Ce sont des marchés où les gens recherchent le plus activement des composés chimiques aux propriétés nouvelles, " dit Weix.

Les points quantiques sont de minuscules cristaux semi-conducteurs. Contenant quelques milliers d'atomes, ils "vivent dans un monde entre les minéraux en vrac - comme un morceau de roche, avec des milliards et des milliards d'atomes - et une seule molécule avec seulement 10 ou 20 atomes, " dit Krauss, professeur de chimie et président du département. Mais, il ajoute, "Les points quantiques ont des propriétés à la fois du monde moléculaire et du monde macroscopique."

Par exemple, une boîte quantique a la stabilité chimique et photochimique des minéraux, mais a une couche de molécules organiques à l'extérieur qui "lui permet d'être manipulé comme vous le feriez pour manipuler de petites molécules en solution. Vous pouvez les pulvériser, vous pouvez les enduire sur des surfaces, vous pouvez les mélanger, et faire toutes les chimies différentes avec eux, " dit Krauss.

Jusqu'à maintenant, la plupart des chimistes ont étudié les points quantiques pour leurs propriétés de base, avec des applications principalement limitées aux écrans tels que les téléviseurs. Cette découverte particulière est née de travaux antérieurs à Rochester qui ont démontré que les points quantiques pourraient être d'excellents catalyseurs pour créer des liaisons hydrogène-hydrogène pour les applications de combustible solaire.

Pour cette étude, Krauss et Weix ont testé l'efficacité des points quantiques de cadmium/sélénium (CdSe) dans la création de liaisons carbone-carbone en utilisant cinq réactions photoredox bien connues. Ils ont découvert qu'une taille unique, La boîte quantique CdSe facilement fabriquée pourrait remplacer plusieurs catalyseurs différents maintenant utilisés, avec une efficacité égale ou supérieure.

"La chimie allait de réactions plus simples, où la boîte quantique servait d'unique médiateur redox [seul agent transférant un électron], aux réactions impliquant un ou plusieurs cocatalyseurs, avec beaucoup de réactifs dans le flacon, " dit Weix. " Au début, on se demandait si les points survivraient dans ce ragoût chimique, mais ils l'ont fait."

Weix prévient que le papier ne représente qu'une "première étape pour montrer que vous pouvez utiliser des points quantiques semi-conducteurs pour remplacer d'autres catalyseurs". Les points peuvent avoir besoin d'être affinés pour être adaptés aux applications industrielles.

Mais il est enthousiasmé par leur potentiel, et l'élan semble se renforcer. Il note que parallèlement à leurs travaux, des collègues de Northwestern ont fait des progrès importants vers l'amélioration des catalyseurs de points quantiques. Weix a en outre souligné les travaux photochimiques connexes avec le dioxyde de titane nanocristallin (TiO2) de chercheurs de l'Université d'Ottawa et de l'Université du Wisconsin.

"Nous, et d'autres, ont jusqu'à présent examiné comment les points quantiques se comporteraient dans des réactions raisonnablement bien étudiées, car il s'agit d'un nouveau catalyseur et nous voulions le comparer à ce qui l'a précédé, " dit Weix. " La prochaine étape est de regarder ce que ces choses font que rien d'autre ne peut faire. C'est la promesse de l'avenir."