Polecane w tym tygodniu
S1-Bromopropan (bromek n-propylu lub nPB) to związek bromoorganiczny o wzorze chemicznym CH3CH2CH2Br. [1] Jest to bezbarwna ciecz. Nieco gęstszy niż woda i słabo rozpuszczalny w wodzie. Po podgrzaniu do wysokich temperatur może wydzielać toksyczne opary. [2]
Wyróżniony Artykuły
Aby zrobić mydło, wystarczy wstawić atom tlenu w wiązanie węgiel-wodór. Przepis może wydawać się prosty. Ale wiązania węgiel-wodór, podobnie jak guma przyklejona do włosów, są trudne do rozerwania. Ponieważ stanowią podstawę znacznie więcej niż tylko mydła, znalezienie sposobu na złamanie tej upartej pary może zrewolucjonizować sposób, w jaki przemysł chemiczny produkuje wszystko, od farmaceutyków po artykuły gospodarstwa domowego. Naukowcy z Harvard University i Cornell University właśnie tego dokonali: po raz pierwszy odkryli dokładnie, w jaki sposób reaktywny katalizator miedziowo-nitrenowy – który podobnie jak masło orzechowe stosowane do rozluźniania przyczepności gumy do włosów pomaga wywołać reakcję chemiczną — mógłby przekształcić jedno z tych silnych wiązań węgiel-wodór w wiązanie węgiel-azot, cenny element budulcowy syntezy chemicznej. W artykule opublikowanym w Science, Kurtis Carsch, Ph.D. student Graduate School of Arts and Sciences na Uniwersytecie Harvarda, Ted Betley, profesor chemii Erving na Harvardzie, Kyle Lancaster, profesor nadzwyczajny chemii na Uniwersytecie Cornell i ich zespół współpracowników, nie tylko opisują, w jaki sposób reaktywna miedź-nitren katalizator wykonuje swoją magię, ale także jak butelkować narzędzie, aby zerwać te uparte wiązania węgiel-wodór i wytwarzać produkty takie jak rozpuszczalniki, detergenty i barwniki przy mniejszej ilości odpadów, energii i kosztów. Przemysł często wykuwa podstawy takich produktów (amin) w wieloetapowym procesie: najpierw surowe materiały alkanowe są przekształcane w reaktywne cząsteczki, często za pomocą kosztownych, czasem szkodliwych katalizatorów. Następnie przekształcony substrat musi wymienić grupę chemiczną, co często wymaga zupełnie nowego układu katalitycznego. Unikanie tego etapu pośredniego — i zamiast tego natychmiastowe wprowadzanie pożądanej funkcji bezpośrednio do materiału wyjściowego — może zmniejszyć ogólne zużycie materiałów, energii, kosztów, a potencjalnie nawet toksyczność procesu. Właśnie to zamierzał osiągnąć Betley i jego zespół: znaleźć katalizator, który mógłby pominąć etapy chemiczne. Chociaż badacze poszukiwali dokładnego składu reaktywnego katalizatora miedziowo-nitrenowego przez ponad pół wieku, a nawet spekulowali, że miedź i azot mogą stanowić rdzeń narzędzia chemicznego, dokładna formacja elektronów w tej parze pozostaje nieznana. „Elektrony są jak nieruchomości, stary. Lokalizacja jest najważniejsza” – powiedział Betley. „Rozmieszczenie elektronów w cząsteczce jest ściśle powiązane z jej reaktywnością” – powiedział Lancaster, który wraz z Idą DiMucci, absolwentką swojego laboratorium, pomógł ustalić inwentarz elektronów w miedzi i azocie. Korzystając ze spektroskopii rentgenowskiej, aby znaleźć energie, w których fotony zostałyby zaabsorbowane – co jest oznaką nieobecności elektronu – odkryli dwie odrębne dziury w azocie. „Ten posmak azotu – w którym brakuje tych dwóch elektronów – od dziesięcioleci jest powiązany z reaktywnością, ale nikt nie dostarczył bezpośrednich dowodów eksperymentalnych na istnienie takiego gatunku”. Mają teraz. Zazwyczaj, jeśli atom miedzi wiąże się z azotem, oba oddają część swoich elektronów, tworząc wiązanie kowalencyjne, w którym równo dzielą się elektronami. „W tym przypadku” – powiedział Betley – „jest to azot z dwiema dziurami, więc ma dwa wolne rodniki i jest po prostu związany z miedzią przez samotną parę”. To wiązanie zapobiega ulatnianiu się lotnego nitrenu i wywoływaniu niszczycielskiej chemii ze wszystkim, co stanie mu na drodze. Na przykład, kiedy ktoś skaleczy się w nogę, organizm wysyła reaktywne formy tlenu, podobne do tych rodników nitrenu. Reaktywne formy tlenu atakują atakujące pasożyty lub czynniki zakaźne, ale mogą również uszkodzić DNA. Tak więc, aby powstrzymać reaktywny nitren, pierwszy autor Carsch zbudował masywną klatkę w postaci ligandu. Ligand, przypominający organiczne krzewy otaczające parę nitrenu miedzi, utrzymuje katalizator w stanie nienaruszonym. Wytnij te krzewy i wprowadź inną substancję - na przykład wiązanie węgiel-wodór - a ognisty nitren zacznie działać. Betley nazywa katalizator kluczem szkieletowym, narzędziem z potencjałem do odblokowania wiązań, które w przeciwnym razie byłyby zbyt silne, aby można je było wykorzystać w syntezie. „Mamy nadzieję, że uda nam się wygenerować te związki chemiczne, które będą teraz tak reaktywne, że sprawią, że najbardziej obojętny rodzaj substancji, jakie mamy wokół siebie, stanie się czymś, czym możemy się bawić” – powiedział. „To byłoby naprawdę, naprawdę potężne”. Ponieważ elementy składowe, takie jak miedź i aminy, są obfite i tanie, klucz do szkieletu może odblokować bardziej praktyczne sposoby wytwarzania leków i artykułów gospodarstwa domowego. Kiedy Carsch po raz pierwszy stworzył tę cząsteczkę, „dosłownie szalał z radości” – powiedział Betley. „Pomyślałem: «OK, uspokój się»”. Ale wyniki stały się bardziej interesujące: nitren reaguje lepiej, niż oczekiwano, mimo że „cząsteczka nie ma prawa być stabilna”, a struktura wiązania wyglądała inaczej niż w każdym z projektów zaproponowane w ciągu ostatnich sześciu dekad badań. „Gdybyśmy zaproponowali to na początku, myślę, że ludzie by nas wyśmiali”. Chociaż Betley ścigał ten nieuchwytny gatunek – co Lancaster nazywa „polowaniem na grubego zwierza” – odkąd uruchomił swoje laboratorium w 2007 roku, mniej dba o swoją wygraną, a bardziej o swoich współpracowników. „Całą radość sprawia mi obserwowanie Kurtisa i innych moich uczniów niezwykle podekscytowanych tym, co udało im się stworzyć”. Carsch stawił czoła zarówno krytykom, jak i chemicznym murom, mimo to nie ustawał w swoich poszukiwaniach. „Cieszę się, że jest uparty, tak samo uparty jak ja” – powiedziała Betley. Oboje mogą być tak uparci, jak więzy, które mogą teraz zerwać. Kiedy w Cornell Lancaster i student piątego roku DiMucci potwierdzili ustalenia, „wysłał dość barwny e-mail” do zespołu Betley. Ale on też docenia swoich współpracowników. DiMucci spędził siedem dni w Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, analizując wraz ze swoim zespołem strukturę elektroniczną katalizatora. „Bez ich nowych możliwości eksperymentalnych” – powiedział Lancaster – „naprawdę nie mielibyśmy sygnału do szumu i niskiego tła, które bardzo ułatwiały identyfikację tego obiektu”. Następnie zespół mógł czerpać inspirację z nowego projektu, aby budować katalizatory o jeszcze szerszych zastosowaniach, na przykład odzwierciedlających sposób, w jaki natura przekształca niebezpieczny metan w metanol. „Prawdziwym świętym Graalem byłoby stwierdzenie: «OK, to wiązanie CH tam, to konkretne w tej cząsteczce, chcę to zamienić na wiązanie CN lub wiązanie CO»” – powiedział Lancaster. Może to odległy cel, ale jego tzw. „zespół marzeń” może okazać się tym, kto znajdzie rozwiązanie.
Naukowcy z Uniwersytetu w Birmingham opracowali sposób wytwarzania polimerów organicznych z cząsteczek zapachowych drzew iglastych i owocowych. Technika opracowana do zastosowań w druku 3D może doprowadzić do powstania nowej generacji zrównoważonych materiałów do zastosowań biomedycznych lub prototypowania. Zwane terpenami, cząsteczki te znajdują się w olejkach eterycznych wielu różnych roślin i są często stosowane w perfumach, kosmetykach i innych produktach gospodarstwa domowego. Ponieważ są trudne w ekstrakcji i przetwarzaniu, często zastępuje się ich wersje syntetyczne. Terpeny można również wykorzystać do produkcji żywic. To czyni je niezwykle interesującymi dla chemików i inżynierów badających nowe, zrównoważone polimery, które mają zastąpić tworzywa sztuczne wytwarzane z produktów petrochemicznych. Wyzwanie polega na znalezieniu sposobu na wystarczająco wydajne przetwarzanie terpenów, aby uzyskać interesujące materiały. Naukowcy z Wydziału Chemii Uniwersytetu w Birmingham opracowali technikę ekstrakcji cząsteczek i przekształcania ich w stabilne żywice. Łącząc je ze związkami organicznymi na bazie siarki zwanymi tiolami, żywice można aktywować pod wpływem światła, tworząc materiał stały. Wyniki ich badań opublikowano w czasopiśmie Polymer Chemistry. Przetwarzanie terpenów w ten sposób czyni je szczególnie przydatnymi w procesie drukowania 3D zwanym stereolitografią, w którym obiekty są budowane w wielu warstwach i łączone ze sobą pod wpływem światła UV, tworząc obiekty trójwymiarowe. Główny autor, profesor Andrew Dove, wyjaśnia: „Musimy znaleźć zrównoważone sposoby wytwarzania produktów polimerowych, które nie opierają się na produktach petrochemicznych. Uznano, że w tych poszukiwaniach terpeny mają prawdziwy potencjał, a nasza praca jest obiecującym krokiem w kierunku wykorzystania te naturalne produkty.” Różne terpeny mają różne właściwości materiałowe, a kolejnym krokiem zespołu będzie pełniejsze zbadanie tych właściwości w celu lepszej ich kontroli. Chociaż zapachy nie są kluczem do właściwości materiałowych terpenów, badacze są zainteresowani sprawdzeniem, czy można je również wykorzystać w niektórych produktach.
