Квантовые точки накапливают световую энергию и управляют химическими реакциями

Химия все чаще использует "трюк" растений для фотосинтеза: стимулирование химических реакций, которые протекают слабо или вообще не происходят спонтанно, с помощью световой энергии. Для этого необходимы подходящие фотокатализаторы, способные улавливать световую энергию и выделять ее для реакции. Кайфэн Ву, Даляньский институт химической физики, Китайская академия наук, Университет Китайской академии наук, Пекин, и его коллеги представили слоистые квантовые точки ядро/оболочка, которые эффективно стимулируют сложные органические превращения. Особым преимуществом является их низкая токсичность.

ZnSe/ZnS квантовые точки

Квантовые точки — это мелкодисперсные наноскопические кристаллы неорганических полупроводников. Они сильно поглощают в регулируемом диапазоне спектра и легко перерабатываются. До сих пор фотокаталитические квантовые точки были основаны почти исключительно на высокотоксичных элементах — кадмии и свинце. Этот факт и их ограниченная эффективность были основными препятствиями для их более широкого использования.

Команда представила новые квантовые точки с низкой токсичностью и высокой эффективностью. Они активируются с помощью имеющихся в продаже синих светодиодов— ультрафиолетовый свет, который обычно требуется, не нужен. Секрет их успеха заключается в их структуре ядро/оболочка и переменных покрытиях, которые могут использоваться для “хранения” световой энергии.

Квантовые точки имеют ширину всего несколько нанометров. Их ядро состоит из селенида цинка (ZnSe) и окружено тонкой оболочкой из сульфида цинка (ZnS). Синий свет переводит селенид цинка в возбужденное состояние, в котором он может легко отдавать электроны. Оболочка предотвращает немедленный захват электронов так называемыми дефектами.

Полезные инструменты для органических превращений

Команда оснастила поверхность оболочки специальными бензофеноновыми лигандами, которые “всасывают” электроны из квантовых точек, сохраняют их и делают доступными для органических реакций. Например, исследователи смогли провести восстановительное дегалогенирование арилхлоридов и полимеризацию акрилатов без добавок— важные реакции, которые плохо или совсем не идут при использовании обычных фотокатализаторов.

Вторая версия была сделана путем покрытия поверхности бифенильными лигандами, которые могут непосредственно поглощать энергию от возбужденных квантовых точек. Это переводит их в долгоживущее, высокоэнергетическое триплетное состояние. Триплетная энергия, “накопленная” таким образом, может быть передана определенным органическим молекулам, которые затем также переходят в триплетное состояние. В этом состоянии они могут проходить химические реакции, которые невозможны в их основном состоянии. В качестве демонстрации команда провела [2+2] гомо-циклоприсоединение стирола и циклоприсоединение карбонилов к алкенам. В результате получаются четырехчленные кольца (циклобутаны или оксетаны, соответственно) — вещества, которые являются важными исходными материалами в таких областях, как фармацевтика.

.