Studien über Magnetfeldeffekte in Flavin basierenden photokatalytischen Reaktionen

• Antragsteller: Dr. Roger Jan Kutta
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 246536940

Studien über Magnetfeldrezeption der Tiere, wie z.B. bei wandernden Vögeln, zeigten, dass selbst die kleinen Magnetfeldstärken auf der Erde (etwa 50 µT) gespürt und zur effizienten Orientierung genutzt werden können. Eine Licht induziertes Radikalpaarreaktion in einem Photorezeptorprotein, das ein Flavin Chromophor enthält, wurde als Modell vorgeschlagen für einen chemischen Kompass bei der tierischen Magnetrezeption. Es ist bekannt, (aus Theorie und Experiment), dass die Anwendung von externen Magnetfeldern die Reaktivität und damit auch die Ausbeuten von Radikalpaarreaktionen durch Singulett-Triplett-Spinzustandskonversion erheblich beeinflussen kann. In diesem Projekt ist es das Ziel, solche Magnetfeldeffekte (MFE) zur vollständigen Optimierung von Flavin basierenden photokatalytischen Reaktionen anzuwenden. Die gewonnenen Erkenntnisse können dann zum zielgerichteten Design verschiedener neuer photokatalytischer Reaktionen verwendet werden, bei denen MFEs auf Radikalpaarreaktionen ausgenutzt werden, um ihre Produktausbeuten zu maximieren.Ein prominenter Photokatalysator, den auch die Natur als Cofaktor innerhalb von Proteinen nutzt, ist das Flavin. Über Flavine wurde bereits berichtet, dass sie photokatalytisch Benzylalkohole, Benzylamine, Methylbenzole, Styrene und Phenylessigsäure unter Verwendung von gelöstem Sauerstoff, der den Zyklus vervollständigt, oxidieren. Zusätzlich wird Flavin verwendet, um selektiv Benzylschutzgruppen zu entfernen. Diese photokatalytischen Reaktionen können wichtige Transformationen erzielen, die entweder über thermische Reaktionen oder unter milden Bedingungen unerreichbar sind. In ersten Studien habe ich bereits die Konversion von Benzylalkohol zum entsprechenden Aldehyd untersucht und einen MFE identifiziert, der die Produktausbeute erhöht. Entscheidend in diesem photokatalytischen Zyklus ist die Bildung eines Radikalionpaares nach Elektronentransfer vom Benzylalkohol entweder zum angeregten Singulett- oder zum Triplettzustand des Flavins. Nur eine Reaktion mit dem Triplettzustand resultiert in der Produktbildung. Die Anwendung eines externen magnetischen Feldes im mT-Bereich erhöht die Triplettpopulation des langlebigeren Radikalpaares und resultiert in einer erhöhten Gesamtproduktausbeute. Dieses Projekt über die grundsätzliche Anwendbarkeit wird den MFE in diesem System vollständig untersuchen und optimieren, und dadurch das Potential der Nutzbarkeit von MFEs in photokatalytischen Reaktionen erforschen. Auf der einen Seite werden wir die Umgebungseffekte, wie Magnetfeldstärke, Temperatur und Viskosität, auf den MFE untersuchen. Auf der anderen Seite werden wir beginnen, mit Hilfe theoretischer Studien die Modifikation der Struktur des Flavin-Photokatalysators zu erforschen, um so die elektronischen Eigenschaften der Radikalpaare für optimale Photo- und Magneto-Katalytische Bedingungen maßzuschneidern.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Gastgeber: Dr. Alex Richard Jones