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S1-Brompropan (n-Propylbromid oder nPB) ist eine Organobrominverbindung mit der chemischen Formel CH3CH2CH2Br. [1] Es ist eine farblose Flüssigkeit. Etwas dichter als Wasser und schwer wasserlöslich. Beim Erhitzen auf hohe Temperaturen können giftige Dämpfe entstehen. [2]
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Um Seife herzustellen, fügen Sie einfach ein Sauerstoffatom in eine Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung ein. Das Rezept mag einfach klingen. Aber Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen, wie Kaugummi im Haar, sind schwer auseinander zu ziehen. Da sie die Grundlage für weit mehr als nur Seife bilden, könnte die Suche nach einem Weg, dieses hartnäckige Paar zu brechen, die Art und Weise revolutionieren, wie die chemische Industrie alles produziert, von Pharmazeutika bis hin zu Haushaltswaren. Forscher der Harvard University und der Cornell University haben nun genau dies getan: Sie haben zum ersten Mal herausgefunden, wie ein reaktiver Kupfernitren-Katalysator – der ähnlich wie die Erdnussbutter, mit der Kaugummi den Halt von Haaren löst, dabei hilft, eine chemische Reaktion auszulösen – eine dieser starken Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen in eine Kohlenstoff-Stickstoff-Bindung umwandeln kann, einen wertvollen Baustein für die chemische Synthese. In einem in Science veröffentlichten Artikel hat Kurtis Carsch, Ph.D. Ted Betley, der Erving-Professor für Chemie an der Harvard University, Kyle Lancaster, Associate Professor für Chemie an der Cornell University und sein Team von Mitarbeitern beschreiben nicht nur, wie ein reaktives Kupfernitren funktioniert Der Katalysator übt seine Magie aus, aber auch, wie man das Werkzeug abfüllt, um diese hartnäckigen Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen aufzubrechen und Produkte wie Lösungsmittel, Reinigungsmittel und Farbstoffe mit weniger Abfall, Energie und Kosten herzustellen. Industrien schmieden häufig die Grundlage solcher Produkte (Amine) in einem mehrstufigen Verfahren: Erstens werden Alkanrohstoffe in reaktive Moleküle umgewandelt, oft mit teuren, manchmal schädlichen Katalysatoren. Dann muss das transformierte Substrat eine chemische Gruppe austauschen, was häufig ein völlig neues katalytisches System erfordert. Das Vermeiden dieses Zwischenschritts - und stattdessen das sofortige Einfügen der gewünschten Funktion direkt in das Ausgangsmaterial - könnte das Gesamtmaterial, die Energie, die Kosten und möglicherweise sogar die Toxizität des Prozesses verringern. Dies war das Ziel von Betley und seinem Team: Sie wollten einen Katalysator finden, der chemische Schritte überspringen kann. Obwohl Forscher seit über einem halben Jahrhundert der genauen Zusammensetzung eines reaktiven Kupfer-Nitren-Katalysators auf der Spur sind und sogar spekuliert haben, dass Kupfer und Stickstoff den Kern des chemischen Werkzeugs bilden könnten, ist die genaue Zusammensetzung der Elektronen dieses Paares weiterhin unbekannt. „Elektronen sind wie Immobilien, Mann. „Die Lage ist alles“, sagte Betley. „Die Anordnung der Elektronen in einem Molekül ist eng mit seiner Reaktivität verbunden“, sagte Lancaster, der zusammen mit Ida DiMucci, einer Doktorandin in seinem Labor, dabei half, die Elektroneninventare von Kupfer und Stickstoff zu ermitteln. Mithilfe der Röntgenspektroskopie wollten sie Energien ermitteln, bei denen Photonen absorbiert würden – ein Zeichen für die Abwesenheit von Elektronen – und entdeckten im Stickstoff zwei deutlich erkennbare Löcher. „Dieser Stickstofftyp – bei dem diese beiden Elektronen fehlen – wird schon seit Jahrzehnten mit Reaktivität in Verbindung gebracht, aber niemand hat direkte experimentelle Beweise für eine solche Spezies geliefert.“ Jetzt haben sie es. Wenn ein Kupferatom an einen Stickstoff bindet, geben beide typischerweise einen Teil ihrer Elektronen ab, um eine kovalente Bindung zu bilden, in der sie die Elektronen gleichmäßig teilen. "In diesem Fall", sagte Betley, "ist es der Stickstoff mit zwei Löchern, er hat also zwei freie Radikale und ist nur durch ein freies Elektronenpaar an das Kupfer gebunden." Diese Bindung verhindert, dass das flüchtige Nitren davonwirbelt und zerstörerische chemische Reaktionen mit allem anrichtet, was ihm in die Quere kommt. Wenn jemand zum Beispiel einen Schnitt am Bein bekommt, sendet der Körper eine reaktive Sauerstoffspezies aus, ähnlich wie diese Nitrenradikale. Die reaktive Sauerstoffspezies greift eindringende Parasiten oder Infektionserreger an, kann aber auch die DNA schädigen. Um das reaktive Nitren zu enthalten, baute der Erstautor Carsch einen massiven Käfig in Form eines Liganden. Der Ligand hält - wie ein organisches Gebüsch, das das Kupfernitrenpaar umgibt - den Katalysator intakt. Schneiden Sie das Gebüsch zurück und führen Sie eine andere Substanz ein - wie eine Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung - und das feurige Nitren macht sich an die Arbeit. Betley nennt den Katalysator einen Skelettschlüssel, ein Werkzeug mit dem Potenzial, Bindungen freizuschalten, die sonst zu stark wären, um in der Synthese verwendet zu werden. „Hoffentlich können wir diese chemischen Spezies erzeugen, die nun so reaktiv sind, dass sie die inertesten Substanzen, die uns umgeben, zu etwas machen, mit dem wir spielen können“, sagte er. „Das wäre wirklich, wirklich stark.“ Da die Bausteine – wie Kupfer und Amine – reichlich vorhanden und billig sind, könnte der Generalschlüssel praktischere Wege zur Herstellung von Arzneimitteln oder Haushaltsprodukten eröffnen. Als Carsch das Molekül zum ersten Mal herstellte, „hüpfte er buchstäblich vor Freude“, sagte Betley. "Ich dachte mir: 'OK, beruhig dich.'" Doch die Ergebnisse waren noch interessanter: Das Nitren reagiert besser als erwartet, obwohl "das Molekül keinen Anspruch darauf hat, stabil zu sein", und die Bindungsstruktur sah anders aus als alle in den letzten sechzig Jahren der Forschung vorgeschlagenen Entwürfe. „Hätten wir es von Anfang an vorgeschlagen, hätten die Leute uns wahrscheinlich verspottet.“ Obwohl Betley dieser schwer zu fassenden Tierart nachjagt – Lancaster nennt dies „Großwildjagd“ –, seit er 2007 sein Labor eröffnet hat, ist ihm sein Sieg weniger wichtig als seine Mitarbeiter. „Es bereitet mir große Freude zu sehen, wie begeistert Kurtis und meine anderen Schüler von dem sind, was sie tatsächlich geschafft haben.“ Carsch sah sich sowohl Kritikern als auch chemischen Mauern gegenüber, ließ seine Jagd jedoch nicht nach. „Ich bin froh, dass er stur ist, genauso stur wie ich“, sagte Betley. Sie könnten beide so hartnäckig sein wie die Bindungen, die sie jetzt brechen können. Als Lancaster und der Fünftjahresstudent DiMucci die Ergebnisse in Cornell bestätigten, „schickte er eine ziemlich farbenfrohe E-Mail“ an das Betley-Team. Aber auch er schreibt seine Mitarbeiter gut. DiMucci verbrachte sieben Tage an der Stanford Synchrotron Radiation Lightsource und analysierte mit seinem Team die elektronische Struktur des Katalysators. "Ohne ihre neuen experimentellen Möglichkeiten", sagte Lancaster, "hätten wir wirklich nicht das Signal-Rausch-Verhältnis und den niedrigen Hintergrund gehabt, die die Identifizierung dieses Dings ziemlich einfach gemacht haben." Als nächstes könnte sich das Team von diesem neuen Design inspirieren lassen, um Katalysatoren mit noch weitreichenderen Anwendungsmöglichkeiten zu bauen, etwa indem es die Umwandlung von gefährlichem Methan in Methanol in der Natur nachahmt. „Der wahre heilige Gral wäre es zu sagen: ‚OK, diese CH-Bindung dort, genau diese in diesem Molekül, die möchte ich in eine CN-Bindung oder eine CO-Bindung umwandeln‘“, sagte Lancaster. Das mag ein fernes Ziel sein, aber sein sogenanntes „Dreamteam“ könnte genau das richtige sein, um die Lösung zu finden.
Wissenschaftler der Universität Birmingham haben eine Methode entwickelt, mit der aus den Duftmolekülen von Nadelbäumen und Obstbäumen organische Polymere hergestellt werden können. Die für 3D-Druckanwendungen entwickelte Technik könnte zu einer neuen Generation nachhaltiger Materialien für biomedizinische Anwendungen oder Prototypen führen. Die als Terpene bezeichneten Moleküle kommen in den ätherischen Ölen einer Vielzahl von Pflanzen vor und werden häufig in Duftstoffen, Kosmetika und anderen Haushaltsprodukten verwendet. Da ihre Extraktion und Verarbeitung schwierig ist, werden sie häufig durch synthetische Varianten ersetzt. Terpene können auch zur Herstellung von Harzen verwendet werden. Dies macht sie für Chemiker und Ingenieure äußerst interessant, die nach neuen nachhaltigen Polymeren suchen, um Kunststoffe aus Petrochemikalien zu ersetzen. Die Herausforderung besteht darin, eine Methode zu finden, mit der die Terpene effizient genug verarbeitet werden können, um interessante Materialien herzustellen. Forscher der School of Chemistry der Universität Birmingham haben eine Methode entwickelt, mit der die Moleküle extrahiert und in stabile Harze umgewandelt werden können. Durch die Kombination mit schwefelbasierten organischen Verbindungen, den sogenannten Thiolen, können die Harze durch Licht aktiviert werden und ein festes Material bilden. Ihre Ergebnisse wurden in Polymer Chemistry veröffentlicht. Die Verarbeitung der Terpene auf diese Weise macht sie besonders nützlich für ein 3D-Druckverfahren namens Stereolithografie, bei dem Objekte in mehreren Schichten aufgebaut und unter UV-Licht zu 3D-Objekten zusammengefügt werden. Der Hauptautor, Professor Andrew Dove, erklärt: „Wir müssen nachhaltige Wege finden, um Polymerprodukte herzustellen, die nicht auf Petrochemikalien angewiesen sind. Terpene haben bei dieser Suche großes Potenzial und unsere Arbeit ist ein vielversprechender Schritt in Richtung der Nutzbarmachung dieser Naturprodukte.“ Verschiedene Terpene erzeugen unterschiedliche Materialeigenschaften und der nächste Schritt für das Team besteht darin, diese Eigenschaften genauer zu untersuchen, um sie besser kontrollieren zu können. Obwohl die Duftstoffe nicht entscheidend für die Materialeigenschaften der Terpene sind, sind die Forscher daran interessiert, ob sie auch in einigen Produkten nutzbar gemacht werden können.
