Ny effektiv metod för att hydrogenera grafen med synligt ljus

En miljövänlig, effektiv och billig metod för att hydrogenera grafen med synligt ljus har tagits fram av forskare vid Uppsala universitet och AstraZeneca Göteborg. Forskningen presenteras i en artikel i Nature Communications.

Studien visar att det tvådimensionella och atomlagertunna kolmaterialet grafen reagerar med myrsyra i en vattenlösning när det bestrålas med synligt ljus. I reaktionen fungerar myrsyran som maskerad vätgas och det bildas ett material där väte i omfattande grad adderats till grafen; man säger att grafen har hydrogenerats. Studien är gjord av Henrik Ottossons forskargrupp tillsammans med kollegor inom kemi, fysik och teknikvetenskap vid Uppsala universitet och AstraZeneca Göteborg.

- Reaktionen som vi utvecklat är enkel och billig, och grafen som hydrogenerats kan eventuellt användas inom tillämpningar såsom vätgaslagring. Det kan även vara intressant för elektronikapplikationer, säger Henrik Ottosson, docent vid institutionen för kemi vid Ångströmlaboratoriet, Uppsala universitet.

Egentligen är grafenforskning ett sidospår från det Henrik Ottossons grupp normalt studerar. Oftast undersöker de hur olika aromatiska kolväten beter sig vid bestrålning av ljus, och de använder en regel som går under namnet Bairds regel och som kan härledas genom kemiskt tillämpad kvantmekanik.

Kemiska föreningar som är aromatiska har extra hög stabilitet och ofta är de svåra att bryta ned. Bensen är den mest kända aromatiska föreningen och mer än hälften av alla kända kemiska föreningar innehåller aromatiska grupper.

Den höga stabiliteten förklaras med Hückels ”4n+2” regel, men den gäller bara när de aromatiska föreningarna befinner sig i sina elektroniska grundtillstånd. När de exponeras för ljus av en viss våglängd når de ett elektroniskt exciterat tillstånd, och enligt Bairds regel blir föreningar som är aromatiska i grundtillståndet antiaromatiska och reaktiva i det exciterade tillståndet. Regeln som varit försummad i flera decennier kan användas för att förklara olika aromatiska molekylers beteende när de belyses.

Med hjälp av Bairds regel utvecklar Henrik Ottossons grupp nya ljusinitierade reaktioner. De studerade först addition av hydrosilaner till bensen, naftalen och gradvis större polycykliska aromatiska kolväten, där hydrosilaner är föreningar som kan ses som tunga analoger till vätgas. Även om det inte går att förklara om och hur Bairds regel kan tillämpas på grafen (som i princip är ett oändligt stort polycykliskt aromatiskt kolväte) så testade de reaktionen och fann en mycket effektiv addition när myrsyra användes.

På AstraZeneca ser man intressanta möjligheter för framtiden:

- Det har blivit vanligare att tillämpa ljusinitierade reaktioner under framtagandet av nya molekyler inom vår läkemedelsforskning. Vi utmanar oss själva att hela tiden utveckla mer effektiva och miljövänliga kemiska metoder och de nya framsteg vi ser inom fotokemi idag ökar våra möjligheter. Vårt stora intresse för dessa nya forskningsresultat har sitt ursprung i de möjligheter vi ser att kunna tillgå kemi som ingen trodde var möjlig för några år sedan. När det gäller grafenbaserade material så har dessa exceptionella egenskaper. Det finns en uppsjö av möjliga applikationer som kan resultera i nästa biomedicinska revolution, säger Joakim Bergman vid AstraZeneca Göteborg.

Papadakis R. et al, Metal-Free Photochemical Silylations and Transfer Hydrogenations of Benzenoid Hydrocarbons and Graphene, Nature Communications (2016) DOI 10.1038/NCOMMS12962

Kontakt: Docent Henrik Ottosson, institutionen för kemi – Ångströmlaboratoriet, Uppsala universitet, henrik.ottosson@kemi.uu.se

Om Bairds regel