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 Wissenschaftlerinnen und 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.

Originalarbeit
Pyrazinacenes exhibit on-surface oxidation-state-dependent conformational and self-assembly behaviours
David Miklík, S. Fatemeh Mousavi, Zuzana Hloušková, Anna Middleton, Yoshitaka Matsushita, Jan Labuta, Aisha Ahsan, Luiza Buimaga-Iarinca, Paul A. Karr, Filip Bureš, Gary J. Richards, Pavel Švec, Toshiyuki Mori, Katsuhiko Ariga, Yutaka Wakayama, Cristian Morari, Francis D’Souza, Thomas A. Jung and Jonathan P. Hill
Communication Chemistry 4, 29 (2021)
https://doi.org/10.1038/s42004-021-00470-w

Weitere Information
Prof. Dr. Thomas Jung
Departement Physik und Swiss Nanoscience Institute, Universität Basel
Klingelbergstrasse 82
4056 Basel
Schweiz

Tel. +41 61 207 39 11, thomas.jung@unibas.ch

Arbeitsgruppe Thomas Jung an der Universität Basel