Bei der Photosynthese fangen Pflanzen Sonnenenergie ein und nutzen sie, um chemische Reaktionen anzutreiben. Als Kohlenstoffquelle dient ihnen dabei CO₂ aus der Luft.

Amerikanische Wissenschaftler stellten in der Zeitschrift Angewandte Chemie ein Reaktionsschema vor, das CO₂ bindet und der natürlichen Photosynthese stark ähnelt. Die Lichtenergie wird dabei mit Siliciumnanodrähten eingefangen.

So gelang die Synthese zweier Vorstufen für die Herstellung der entzündungshemmenden, schmerzlindernden Pharmaka Ibuprofen und Naproxen.

Die natürliche Photosynthese setzt sich aus zwei Prozessen zusammen, den Lichtreaktionen und den Dunkelreaktionen. Während der Lichtreaktionen werden Photonen eingefangen und ihre Energie in Form von chemischen Verbindungen, wie NADPH (Nicotinsäureamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat) und ATP (Adenosintriphosphat), gespeichert, die anschließend genutzt werden, um CO₂ für die Synthese komplexer Zuckermoleküle zu binden. Herzstück der Dunkelreaktionen ist die Bindung von CO₂ an einen Phosphat-Zucker (Ribulose-1,5-bisphosphat). Dabei entsteht eine so genannte ß-Keto-Säure, die dann weiter zu einem zentralen Baustein für die Zuckersynthese umgesetzt wird.

Ein Team um Kian L. Tan und Dunwei Wang vom Boston College (Chestnut Hill, USA) hat sich von den Mechanismen der Dunkelreaktionen inspirieren lassen. Um das Sonnenlicht einzufangen, nutzen die Wissenschaftler p-dotierte Siliciumnanodrähte als Photokathode. Diese wandeln Solarenergie sehr effektiv in elektrische Energie um, sind leicht herstellbar und unter den Reaktionsbedingungen erstaunlich stabil. Treffen Photonen auf, werden in den Nanodrähten Elektronen aus Atomen freigesetzt. Diese Elektronen lassen sich sehr effektiv auf organische Moleküle übertragen und können so chemische Reaktionen auslösen. Die Forscher wählten aromatische Ketone als Ausgangsstoffe. Durch die Übertragung von Elektronen von der Photokathode werden sie 'aktiviert', so dass sie CO₂ angreifen und binden können. In mehreren Schritten entsteht als Produkt dann eine α-Hydroxysäure. So gelang es dem Team, Vorstufen für Ibuprofen und Naproxen hochselektiv und in hohen Ausbeuten herzustellen.

Die Reaktionsabfolge ähnelt stark der natürlichen Photosynthese und ist völlig anders als bisherige Ansätze zur Bindung von CO₂ mithilfe von Sonnenlicht. Dabei löst sie endlich ein Problem: die sehr schlechte Selektivität, die die bisher übliche direkte Photoreduktion von CO₂ automatisch mit sich bringt und bisherige Ansätze meist auf die Synthese von Kraftstoffen beschränkte. Die neue Strategie liefert nun die notwendige Selektivität, um komplexe organische Zwischenprodukte für die Produktion von Pharmaka und hochwertigen Feinchemikalien herzustellen.

Über den Autor

Dr. Dunwei Wang wurde kürzlich zum Associate Professor of Chemistry befördert und forscht am Boston College auf dem Gebiet der Materialchemie. Er beschäftigt sich mit der Synthese und dem Verständnis neuer Halbleiter-Materialien für eine effizientere Ernte und Speicherung von Sonnenenergie.