นำเสนอในสัปดาห์นี้
S1-Bromopropane (n-propylbromide หรือ nPB) เป็นสารประกอบออร์กาโนโบรมีนที่มีสูตรทางเคมี CH3CH2CH2Br [1] เป็นของเหลวไม่มีสี หนาแน่นกว่าน้ำเล็กน้อยและละลายน้ำได้เล็กน้อย เมื่อได้รับความร้อนสูงอาจปล่อยควันพิษออกมา [2]
แนะนำ บทความ
ในการทำสบู่ เพียงใส่อะตอมออกซิเจนเข้าไปในพันธะคาร์บอน-ไฮโดรเจน สูตรอาจฟังดูง่าย แต่พันธะคาร์บอน-ไฮโดรเจน เช่น หมากฝรั่งที่ติดอยู่ในเส้นผม ยากที่จะดึงออกจากกัน เนื่องจากพวกเขาให้รากฐานมากกว่าแค่สบู่ การหาวิธีที่จะทำลายคู่ที่ดื้อรั้นนั้นสามารถปฏิวัติวิธีที่อุตสาหกรรมเคมีผลิตทุกอย่างตั้งแต่ยาไปจนถึงของใช้ในครัวเรือน ตอนนี้ นักวิจัยจาก Harvard University และ Cornell University ได้ทำอย่างนั้นแล้ว: เป็นครั้งแรกที่พวกเขาค้นพบว่าตัวเร่งปฏิกิริยาทองแดง-ไนเตรนที่ทำปฏิกิริยาได้อย่างไร ซึ่งเหมือนกับเนยถั่วที่ใช้ในการคลายตัวของหมากฝรั่งที่ยึดเกาะกับเส้นผม ช่วยสะกิดปฏิกิริยาเคมีให้เกิดขึ้น —สามารถเปลี่ยนหนึ่งในพันธะคาร์บอน-ไฮโดรเจนที่แข็งแรงให้เป็นพันธะคาร์บอน-ไนโตรเจน ซึ่งเป็นองค์ประกอบสำคัญในการสังเคราะห์ทางเคมี ในบทความที่ตีพิมพ์ใน Science, Kurtis Carsch, Ph.D. นักศึกษาใน Graduate School of Arts and Sciences ที่ Harvard University, Ted Betley, ศาสตราจารย์ Erving of Chemistry ที่ Harvard, Kyle Lancaster รองศาสตราจารย์สาขาเคมีที่ Cornell University และทีมผู้ทำงานร่วมกัน ไม่เพียงอธิบายว่าปฏิกิริยาของทองแดง-ไนไตรน์เป็นอย่างไร ตัวเร่งปฏิกิริยาใช้เวทมนตร์ แต่ยังรวมถึงวิธีการบรรจุขวดเครื่องมือเพื่อทำลายพันธะคาร์บอน-ไฮโดรเจนที่ดื้อรั้นเหล่านั้น และผลิตผลิตภัณฑ์ เช่น ตัวทำละลาย ผงซักฟอก และสีย้อมโดยสิ้นเปลือง พลังงาน และต้นทุนน้อยลง อุตสาหกรรมต่างๆ มักจะสร้างรากฐานของผลิตภัณฑ์ดังกล่าว (เอมีน) ผ่านกระบวนการหลายขั้นตอน ขั้นแรก วัสดุอัลเคนดิบจะถูกแปลงเป็นโมเลกุลที่ทำปฏิกิริยา ซึ่งมักจะมีต้นทุนสูงและบางครั้งก็เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นพิษ จากนั้น สารตั้งต้นที่เปลี่ยนรูปจำเป็นต้องแลกเปลี่ยนกลุ่มสารเคมี ซึ่งมักจะต้องใช้ระบบตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่ทั้งหมด การหลีกเลี่ยงขั้นตอนระหว่างกลางนั้น—และการใส่ฟังก์ชันที่ต้องการลงในวัสดุเริ่มต้นโดยตรงในทันที—อาจลดวัสดุโดยรวม พลังงาน ต้นทุน และอาจถึงขั้นเป็นพิษของกระบวนการ นั่นคือสิ่งที่ Betley และทีมของเขาตั้งเป้าไว้ว่าจะทำ: ค้นหาตัวเร่งปฏิกิริยาที่สามารถข้ามขั้นตอนทางเคมีได้ แม้ว่านักวิจัยจะตามล่าหาตัวเร่งปฏิกิริยาทองแดง-ไนเตรนที่ทำปฏิกิริยาได้ถูกต้องมาเป็นเวลากว่าครึ่งศตวรรษแล้ว และคาดการณ์ว่าทองแดงและไนโตรเจนอาจเป็นแกนหลักของเครื่องมือทางเคมี แต่ยังไม่ทราบการก่อตัวที่แน่นอนของอิเล็กตรอนของทั้งคู่ “อิเล็กตรอนก็เหมือนอสังหาริมทรัพย์ ทำเลคือทุกสิ่ง” Betley กล่าว Lancaster ซึ่งร่วมกับ Ida DiMucci นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาในห้องทดลองของเขากล่าวว่า "การจัดการอิเล็กตรอนในโมเลกุลมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับปฏิกิริยาของมัน การใช้เอ็กซ์เรย์สเปกโทรสโกปีเพื่อค้นหาพลังงานที่โฟตอนจะถูกดูดกลืน ซึ่งเป็นเครื่องหมายของการไม่มีอิเล็กตรอน พวกเขาพบรูที่แตกต่างกันสองรูบนไนโตรเจน “รสชาติของไนโตรเจนซึ่งคุณขาดอิเล็กตรอนสองตัวนี้ มีส่วนเกี่ยวข้องกับการเกิดปฏิกิริยามานานหลายทศวรรษ แต่ไม่มีใครให้หลักฐานการทดลองโดยตรงสำหรับสายพันธุ์ดังกล่าว” พวกเขามีตอนนี้ โดยทั่วไป ถ้าอะตอมของทองแดงจับกับไนโตรเจน อะตอมทั้งสองจะปล่อยอิเล็กตรอนบางส่วนเพื่อสร้างพันธะโควาเลนต์ ซึ่งอะตอมของทองแดงจะแบ่งอิเล็กตรอนอย่างเท่าเทียมกัน "ในกรณีนี้" Betley กล่าว "มันคือไนโตรเจนที่มีรูเปิดอยู่ XNUMX รู ดังนั้นมันจึงมีอนุมูลอิสระ XNUMX ตัว และมันก็จับกับทองแดงเพียงคู่เดียว" การจับกันนั้นป้องกันไนเตรนที่ระเหยง่ายไม่ให้ฟุ้งกระจายและทำเคมีทำลายล้างไม่ว่าอะไรก็ตามที่ขวางทาง ตัวอย่างเช่น เมื่อมีคนถูกตัดขา ร่างกายจะส่งออกซิเจนที่มีปฏิกิริยา ซึ่งคล้ายกับอนุมูลไนเตรนเหล่านี้ สายพันธุ์ออกซิเจนที่ทำปฏิกิริยาโจมตีปรสิตหรือสารติดเชื้อที่บุกรุก แต่ก็สามารถทำลาย DNA ได้เช่นกัน ดังนั้น เพื่อกักเก็บไนเตรนที่ทำปฏิกิริยาได้ Carsch ผู้เขียนคนแรกจึงสร้างกรงขนาดมหึมาในรูปแบบของลิแกนด์ แกนด์—คล้ายไม้พุ่มอินทรีย์ที่ล้อมรอบคู่คอปเปอร์ไนเตรน—ทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาไม่เสียหาย ลดพุ่มไม้นั้นลงและแนะนำสารอื่น เช่น พันธะคาร์บอน-ไฮโดรเจน และไนเตรนที่ลุกเป็นไฟจะทำงาน Betley เรียกตัวเร่งปฏิกิริยานี้ว่า Skeleton Key ซึ่งเป็นเครื่องมือที่มีศักยภาพในการปลดล็อกพันธะที่อาจแข็งแรงเกินกว่าจะใช้ในการสังเคราะห์ “หวังว่าเราจะสามารถสร้างสารเคมีเหล่านี้ได้ ซึ่งตอนนี้กำลังจะมีปฏิกิริยามากจนสร้างสารที่เฉื่อยที่สุดที่เรามีรอบตัวเรา เป็นสิ่งที่เราสามารถเล่นด้วยได้” เขากล่าว “นั่นคงจะทรงพลังมากจริงๆ” เนื่องจากส่วนประกอบต่างๆ เช่น ทองแดงและเอมีนมีมากมายและราคาถูก กุญแจโครงกระดูกจึงสามารถปลดล็อกวิธีการที่เป็นประโยชน์มากขึ้นในการผลิตยาหรือผลิตภัณฑ์ในครัวเรือน เมื่อ Carsch สร้างโมเลกุลขึ้นเป็นครั้งแรก “เขามีความสุขมากจริงๆ” เบตลีย์กล่าว “ฉันชอบ 'ตกลง ลงหลักปักฐาน'” แต่ผลลัพธ์กลับน่าสนใจยิ่งขึ้น: ไนเตรนทำปฏิกิริยาได้ดีกว่าที่คาดไว้แม้ว่า “โมเลกุลจะไม่เสถียรก็ตาม” และโครงสร้างพันธะก็ดูแตกต่างไปจากการออกแบบใดๆ เสนอในช่วงหกทศวรรษที่ผ่านมาของการวิจัย “หากเราเสนอตั้งแต่แรก ฉันคิดว่าผู้คนคงจะเยาะเย้ยเรา” แม้ว่า Betley จะไล่ตามสายพันธุ์ที่เข้าใจยากนี้ ซึ่งเป็นสิ่งที่ Lancaster เรียกว่า "การล่าเกมใหญ่" นับตั้งแต่ที่เขาเปิดตัวห้องทดลองของเขาในปี 2007 เขาไม่สนใจชัยชนะของเขาและใส่ใจกับเพื่อนร่วมงานของเขามากขึ้น “ฉันรู้สึกเพลิดเพลินจากการได้เห็นเคอร์ติสและนักเรียนคนอื่นๆ ตื่นเต้นสุดๆ กับสิ่งที่พวกเขาทำได้จริงๆ” Carsch เผชิญกับทั้งนักวิจารณ์และกำแพงเคมี แต่กระนั้นก็ยังคงตามล่าเขาอยู่ “ฉันดีใจที่เขาดื้อ ดื้อเหมือนฉัน” เบ็ตลีย์กล่าว พวกเขาทั้งสองอาจดื้อรั้นพอ ๆ กับสายสัมพันธ์ที่พวกเขาสามารถทำลายได้ ที่ Cornell เมื่อ Lancaster และ DiMucci นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาปีที่ XNUMX ยืนยันการค้นพบนี้ เขา "ส่งอีเมลที่ค่อนข้างมีสีสัน" ไปยังทีม Betley แต่เขาก็ให้เครดิตผู้ร่วมงานของเขาเช่นกัน DiMucci ใช้เวลาเจ็ดวันที่ Stanford Synchrotron Radiation Lightsource เพื่อวิเคราะห์โครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ของตัวเร่งปฏิกิริยากับทีมของพวกเขา “หากไม่มีความสามารถในการทดลองใหม่ของพวกเขา” Lancaster กล่าว “เราคงไม่มีสัญญาณรบกวนและพื้นหลังที่ต่ำซึ่งทำให้การระบุสิ่งนี้ค่อนข้างง่าย” ต่อไป ทีมงานสามารถดึงแรงบันดาลใจจากการออกแบบใหม่นี้เพื่อสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีการใช้งานที่กว้างขวางยิ่งขึ้น เช่น การจำลองวิธีธรรมชาติในการเปลี่ยนก๊าซมีเทนที่เป็นอันตรายให้เป็นเมทานอล Lancaster กล่าวว่า "สิ่งศักดิ์สิทธิ์ที่แท้จริงคือการพูดว่า 'โอเค พันธะ CH ตรงนั้น พันธะนั้นในโมเลกุลนี้ ฉันต้องการเปลี่ยนมันให้เป็นพันธะ CN หรือพันธะ CO'" แลงคาสเตอร์กล่าว
วิธีการสร้างโพลีเมอร์อินทรีย์จากโมเลกุลที่มีกลิ่นหอมในต้นสนและไม้ผลได้รับการพัฒนาโดยนักวิทยาศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยเบอร์มิงแฮม เทคนิคนี้พัฒนาขึ้นสำหรับการใช้งานการพิมพ์ 3 มิติ อาจนำไปสู่วัสดุยั่งยืนรุ่นใหม่สำหรับใช้ในงานด้านชีวการแพทย์หรือการสร้างต้นแบบ โมเลกุลที่เรียกว่า terpenes พบได้ในน้ำมันหอมระเหยของพืชหลากหลายชนิด และมักใช้ในน้ำหอม เครื่องสำอาง และผลิตภัณฑ์ในครัวเรือนอื่นๆ เนื่องจากสกัดและแปรรูปได้ยาก จึงมักมีผลิตภัณฑ์สังเคราะห์ทดแทน Terpenes ยังสามารถใช้ในการผลิตเรซิน สิ่งนี้ทำให้น่าสนใจอย่างยิ่งสำหรับนักเคมีและวิศวกรที่กำลังตรวจสอบโพลิเมอร์ที่ยั่งยืนชนิดใหม่เพื่อทดแทนพลาสติกที่ผลิตจากปิโตรเคมี ความท้าทายคือการหาวิธีแปรรูปเทอร์พีนให้มีประสิทธิภาพเพียงพอที่จะผลิตวัสดุที่น่าสนใจ นักวิจัยจาก School of Chemistry แห่งมหาวิทยาลัยเบอร์มิงแฮมได้คิดค้นเทคนิคในการสกัดโมเลกุลและเปลี่ยนให้เป็นเรซินที่เสถียร เมื่อรวมกับสารประกอบอินทรีย์ที่มีกำมะถันเป็นส่วนประกอบหลักที่เรียกว่า ไทออล เรซินสามารถถูกกระตุ้นด้วยแสงเพื่อสร้างวัสดุที่เป็นของแข็ง ผลลัพธ์ของพวกเขาได้รับการตีพิมพ์ใน เคมีพอลิเมอร์ การประมวลผลเทอร์พีนด้วยวิธีนี้ทำให้มีประโยชน์อย่างยิ่งในกระบวนการพิมพ์ 3 มิติที่เรียกว่าสเตอรีโอลิโธกราฟี ซึ่งวัตถุจะถูกสร้างขึ้นเป็นหลายชั้นและหลอมรวมเข้าด้วยกันภายใต้แสงยูวีเพื่อสร้างวัตถุ 3 มิติ ศาสตราจารย์แอนดรูว์ โดฟ หัวหน้าผู้เขียนอธิบายว่า “เราจำเป็นต้องค้นหาวิธีการที่ยั่งยืนในการผลิตผลิตภัณฑ์โพลิเมอร์ที่ไม่ต้องพึ่งพาปิโตรเคมี Terpenes ได้รับการยอมรับว่ามีศักยภาพที่แท้จริงในการค้นหานี้ และงานของเราเป็นก้าวที่มีแนวโน้มว่าจะสามารถควบคุมผลิตภัณฑ์จากธรรมชาติเหล่านี้ได้” เทอร์ปีนที่แตกต่างกันให้คุณสมบัติของวัสดุที่แตกต่างกัน และขั้นตอนต่อไปสำหรับทีมคือการตรวจสอบคุณสมบัติเหล่านั้นอย่างเต็มที่มากขึ้นเพื่อควบคุมให้ดียิ่งขึ้น แม้ว่าน้ำหอมจะไม่ใช่กุญแจสำคัญในคุณสมบัติของสารเทอร์พีน แต่นักวิจัยก็สนใจที่จะดูว่าน้ำหอมเหล่านี้สามารถนำมาใช้กับผลิตภัณฑ์บางชนิดได้หรือไม่
