17.03.2021 - Swiss Nanoscience Institute (SNI)

Neue Substanzklasse für Redox-Reaktionen

Pyrazinacene können reversibel oxidiert und reduziert werden

Ein interdisziplinäres Forscherteam stellt eine neue Klasse chemischer Verbindungen vor, die reversibel oxidiert und reduziert werden kann. Die sogenannten «Pyrazinacene» sind einfache, stabile Verbindungen, die aus einer Reihe stickstoffhaltiger Kohlenstoffringe bestehen. Sie eignen sich für Anwendungen in der Elektrochemie oder Synthese, wie die Forschenden im Wissenschaftsjournal «Communications Chemistry» beschreiben.

Redoxreaktionen spielen in unserem Alltag eine wichtige Rolle. Bei diesen Reaktionen gibt ein Partner Elektronen ab und wird oxidiert, während der andere Partner Elektronen aufnimmt und reduziert wird. Mithilfe solcher Redoxreaktionen speichern beispielsweise Lebewesen Energie.

Auch in der Elektrochemie, bei der elektrische Energie in Form chemischer Verbindungen gespeichert wird, spielen Redoxreaktionen eine entscheidende Rolle. Bei chemischen Synthesen sind Reduktions- und Oxidationsreaktionen ebenfalls ein elementarer Bestandteil. Forschende weltweit suchen daher nach einfachen, stabilen chemischen Verbindungen, die reversibel oxidiert und reduziert werden können und damit als Reduktions- oder Oxidationsmittel fungieren.

Mehrstufige Oxidation möglich

Die Teams von Dr. Jonathan P. Hill vom National Institute for Materials Research in Tsukuba (Japan) und von Prof. Dr. Thomas Jung von der Universität Basel und dem Paul Scherrer Institut (Schweiz) haben nun erstmals experimentell gezeigt, dass Pyrazinacene, diese Ansprüche erfüllen und in einem mehrstufigen Prozess reversibel oxidiert werden können.

Die Pyrazinacene sind eine neue Kategorie von Verbindungen, die aus Sechserringen aus Kohlenstoff, Stickstoff und Wasserstoff-Atomen bestehen. Sie wurden vom Hill-Team entworfen, synthetisiert und in Flüssigkeit chemisch charakterisiert.

In Flüssigkeiten können die Verbindungen, die aus einer unterschiedlichen Anzahl von Sechserringen bestehen können, reversibel Elektronen abgeben und aufnehmen. Was sonst in einem Reagenzglas passiert, konnte das Jung-Team vom Departement Physik und Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel jetzt erstmals experimentell auch auf einer Oberfläche darstellen. «Auf einer Oberfläche oxidieren die Pyrazinacene in mehreren Schritten reversibel. Für ihre technische Anwendung ist es wichtig zu wissen, dass sie auch gebunden auf Oberflächen Redoxreaktionen unterstützen», berichtet Dr. Fatemeh Mousavi, die im Jung-Team die Pyrazinacene charakterisierte.

Oxidationsschritt lässt sich erkennen

Mithilfe von Rastertunnelmikroskopen und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie beobachten die Wissenschaftler, dass sich die Verbindungen je nach Oxidationsstufe unterschiedlich anordnen. In der reduzierten Form, wie sie nach der Synthese vorliegen, sind die Moleküle isoliert, während sie nach dem ersten Oxidationsschritt Ketten bilden. Bei einer zweiten Oxidation verändert sich die Geometrie des Moleküls und sie liegen wieder isoliert vor.

Interessanterweise lassen sich bei den Pyrazinacenen die Oxidations- und Reduktionsreaktionen nicht nur durch einen chemischen Impuls starten, sondern auch durch Licht - die Fachleute sprechen daher von einem Photo-Redox-System.

«Wir haben mit unseren Untersuchungen gezeigt, dass die Pyrazinacene eine interessante Substanzklasse sind, die zur Unterstützung von Reduktions- und Oxidationsreaktionen in der chemischen Synthese, als Indikatoren oder auch in der Elektrochemie eingesetzt werden könnten», schliesst Thomas Jung.

Fakten, Hintergründe, Dossiers

Mehr über Swiss Nanoscience Institute

  • News

    Durchbruch in der Messtechnik?

    Physiker der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts haben erstmals theoretisch gezeigt, dass sich Kernspins ganzer Moleküle durch den Einsatz magnetischer Teilchen bei Zimmertemperatur messen lassen. Die Forscher beschreiben in «Nature Nanotechnology» eine neuartige experimen ... mehr

Mehr über Universität Basel

  • News

    Die künstliche Zelle auf einem Chip

    Forschende der Universität Basel haben ein exakt kontrollierbares System entwickelt, um biochemische Reaktionskaskaden in Zellen nachzuahmen. Sie nutzen die Mikrofluid-Technik um Mini-Reaktionscontainer aus Polymeren herzustellen, die sie mit den gewünschten Eigenschaften ausstatten. Nützli ... mehr

    Wie sich Bakterien an Fasern im Darm festhalten

    Forscher haben den molekularen Mechanismus aufgeklärt, mit dem sich Bakterien an Zellulosefasern im Darm anheften. Indem sie auf zwei verschiedene Arten an die Fasern binden, können sie den Scherkräften im menschlichen Körper standhalten. Das Forschungsteam der Universität Basel und der ETH ... mehr

    Essigsäure steuert Immunzellen für eine präzise orchestrierte Abwehr

    Die Konzentration von körpereigener Essigsäure am Ort einer Infektion steigt jeweils besonders stark an. Wie ein Forschungsteam der Universität Basel mit Kollegen im Fachjournal «Cell Metabolism» berichtet, unterstützt die Essigsäure dort die Funktion bestimmter Immunzellen und hilft dadurc ... mehr

q&more – die Networking-Plattform für exzellente Qualität in Labor und Prozess

q&more verfolgt den Anspruch, aktuelle Forschung und innovative Lösungen sichtbar zu machen und den Wissensaustausch zu unterstützen. Im Fokus des breiten Themenspektrums stehen höchste Qualitätsansprüche in einem hochinnovativen Branchenumfeld. Als moderne Wissensplattform bietet q&more den Akteuren im Markt einzigartige Networking-Möglichkeiten. International renommierte Autoren repräsentieren den aktuellen Wissenstand. Die Originalbeiträge werden attraktiv in einem anspruchsvollen Umfeld präsentiert und deutsch und englisch publiziert. Die Inhalte zeigen neue Konzepte und unkonventionelle Lösungsansätze auf.

> mehr zu q&more

q&more wird unterstützt von: