Химия все чаще использует трюк, который растения могут проделывать с фотосинтезом: управлять химическими реакциями, которые плохо протекают или вообще не происходят спонтанно, с помощью световой энергии. Для этого требуются подходящие фотокатализаторы, которые улавливают световую энергию и делают ее доступной для реакции. В журнале Angewandte Chemie китайская исследовательская группа представила квантовые точки со слоистым ядром и оболочкой, которые эффективно управляют сложными органическими преобразованиями. Их низкая токсичность является особым преимуществом.
Квантовые точки представляют собой мелкодисперсные наноскопические кристаллы неорганических полупроводников. Они сильно поглощают в регулируемом диапазоне спектра и легко перерабатываются. До сих пор фотокаталитические квантовые точки основывались почти исключительно на высокотоксичных элементах кадмии и свинце. Это и их ограниченная эффективность были основными препятствиями для их более широкого использования.
Исследовательская группа под руководством Кайфэн Ву (Китайская академия наук) представила новые квантовые точки с очень низкой токсичностью и очень высокой производительностью. Они активируются имеющимися в продаже синими светодиодами — обычно требуемый УФ-свет не нужен. Секрет их успеха заключается в их структуре сердцевина/оболочка и различных покрытиях, которые можно использовать для «аккумулирования» 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.
Команда оснастила поверхность оболочки специальными бензофеноновыми лигандами, которые «высасывают» электроны из квантовых точек, сохраняют их и делают доступными для органических реакций. Например, группа смогла провести восстановительное дегалогенирование арилхлоридов и бездобавочную полимеризацию акрилатов — важные реакции, которые плохо или вообще не идут с обычными фотокатализаторами.
Второй вариант был сделан путем покрытия поверхности бифенильными лигандами, которые могут напрямую поглощать энергию возбужденных квантовых точек. Это приводит их в долгоживущее высокоэнергетическое триплетное состояние. «Запасенная» таким образом триплетная энергия может передаваться определенным органическим молекулам, которые затем также переходят в триплетное состояние. В этом состоянии они могут вступать в химические реакции , невозможные в их основном состоянии.
В качестве демонстрации команда провела [2+2] гомоциклоприсоединения стирола и циклоприсоединения карбонилов к алкенам. Они производят четырехчленные циклы (циклобутан или оксетан соответственно), которые являются важными исходными материалами в таких областях, как разработка фармацевтики.
