Genopfinde, Hvordan Kemikalier Fremstilles

{h1}

For at opbygge den næste generation af lægemidler, højteknologiske materialer og andre organiske kemikalier udvikler forskere helt nye måder at opbygge molekyler på, hver for sig, med mindre affald og større hastighed.

Charlie Heck er en multimedie nyhedsredaktør ved US National Science Foundation (NSF). Hun bidrog til denne artikel, en del af NSF Science Nation-serien, til WordsSideKick.com's Ekspert stemmer: Op-Ed & Insights.

Kulstof og brint er livets byggesten. Hver levende ting på denne planet - hver plante, hvert dyr - er hovedsagelig lavet af disse nøgleelementer.

Forskerne med NSF Center for Selective C-H Functionalization (CCHF) udvikler effektive metoder til fremstilling af forbindelser, der i sidste ende bliver lægemidler, byggesten til nye materialer og andre nyttige molekyler.

Forskerne med NSF Center for Selective C-H Functionalization (CCHF) udvikler effektive metoder til fremstilling af forbindelser, der i sidste ende bliver lægemidler, byggesten til nye materialer og andre nyttige molekyler.

Kredit: Joe Boris, Boris Photography Inc

Med støtte fra NSF har organisk kemiker Huw Davies og kollegaer på Emory University samlet et all-star-team, herunder forskningsfakultet og studerende fra universiteter rundt om i USA og verden, for at skabe Center for Selective C-H Functionalization (CCHF). Målet er enkelt: Reinvent hvordan kemikalier fremstilles.

CCHF vil udvikle nye måder at vende de en gang inerte carbon-hydrogenbindinger i organiske molekyler til kemisk aktive centre for at vedhæfte nye molekylære stykker med helt nye funktioner. For at nå det mål opdager forskergruppen, hvordan man fremstiller nye, selektive katalysatorer til at manipulere molekylerne og udvikle de komplekse modeller, der vil guide, hvordan kemikere bruger de nye tilgange. I sidste ende vil forskningen føre til nye lægemidler, nye teknikker til at forberede materialer og en ny forståelse af den naturlige verden på en mere strømlinet og miljømæssigt bæredygtig måde.

Nedenfor leverer Davies en Q + A med kontekst for forskning og center.

NSF: Hvordan adskiller organisk kemi sig fra den generelle kemi, som de fleste mennesker er bekendt med?

Huw Davies: Det første, som mange mennesker tænker på, når du taler om organisk kemi, er den "økologiske" etiket, der er plasteret over fødevarer og kosmetik. Det er ikke organisk kemi. Navnet organisk har sin oprindelse i forskning, der blev gjort for over 100 år siden, og kigger på kemi af levende enheder, både dyr og planter. Som videnskabsmænd kom for bedre at forstå disse processer, udvides omfanget af dette felt. I dag beskæftiger organisk kemi forbindelser, der primært er baseret på elementerne kulstof og hydrogen, men indeholder også ilt, nitrogen, svovl, fosfor, natrium og kalium. Denne lille delmængde af elementer, en brøkdel af det periodiske bord sammen med en drysning af nogle få andre, understøtter meget af moderne videnskab - fra molekylære prober, der kortlægger biologiske processer, farmaceutiske midler, til tynde film, der giver skærmen i storskærm skærme og smartphones.

NSF: Hvordan opbygges organiske molekyler?

H.D.: Hydrocarboner repræsenterer en af ​​de mest grundlæggende klasser af organiske molekyler. I disse molekyler danner hvert carbonatom fire bindinger til andre carbon- eller hydrogenatomer. (En binding repræsenterer delingen af ​​elektroner mellem to atomer, effektivt den "lim", som holder atomerne sammen for at danne et molekyle.) En "funktionel gruppe" erstatter et eller flere af hydrogenatomerne med et andet atom eller en gruppe af atomer, såsom oxygen, nitrogen eller svovl. Nogle almindelige funktionelle grupper omfatter alkoholer, aminer og syrer [og de udfører en specifik funktion]. Sammenlignet med kulstof- og hydrogenatomer er disse funktionelle grupper meget mere reaktive, hvilket betyder at de enten kan donere eller acceptere elektroner fra det samme molekyle eller fra et andet molekyle, hvilket resulterer i dannelse og / eller nedbrydning af nye bindinger. Disse reaktioner mellem funktionelle grupper anvendes til at sammenføje små og enkle molekyler til at opbygge de store komplekse molekyler, der er nødvendige i lægemidler eller materialevidenskab.

En af de største drev i kemi de sidste 20 år har været at udvikle renere, mere effektive og mere effektive kemiteknikker. C-H-funktionalisering kan ændre måden kemikalier opstår på. Nye katalysatorer vil strømline den kemiske produktion, hvilket reducerer giftige biprodukter.

En af de største drev i kemi de sidste 20 år har været at udvikle renere, mere effektive og mere effektive kemiteknikker. C-H-funktionalisering kan ændre måden kemikalier opstår på. Nye katalysatorer vil strømline den kemiske produktion, hvilket reducerer giftige biprodukter.

Kredit: Joe Boris, Boris Photography Inc

NSF: Hvad er feltet for C-H-funktionalisering, og hvad er nogle af de konsekvenser, det kan have?

H.D.: C-H-funktionalisering ændrer fuldstændigt den traditionelle logik for organisk kemi. Det beskriver en ny måde at sammensætte organiske molekyler, der fjerner afhængigheden af ​​funktionelle grupper. Traditionelt at skabe en ny binding mellem to molekyler danner den nye binding mellem to funktionelle grupper. Én eller begge af disse grupper fjernes fra molekylet under denne proces, hvilket er hvad der genererer affaldsprodukter i kemiske reaktioner. Ved C-H-funktionalisering kan den nye binding danne mellem simple, allestedsnærværende C-H bindinger. Dette har en række væsentlige fordele; der er betydeligt mindre affald, der ikke er behov for funktionelle grupper, før reaktionen kan finde sted, og nu er nye, tidligere utilgængelige metoder til at sætte nye molekyler sammen muligt nu muligt.

Hvis du er en aktuel ekspert - forsker, virksomhedsleder, forfatter eller innovatør - og gerne vil bidrage med et op-ed-stykke, mail os her.

Hvis du er en aktuel ekspert - forsker, virksomhedsleder, forfatter eller innovatør - og gerne vil bidrage med et op-ed-stykke, mail os her.

NSF: Hvad er nogle af de længe etablerede laboratoriemetoder, som denne nye forskning kunne fjerne?

H.D.: C-H Functionalization har potentialet til bredt at påvirke organisk kemi.Et særligt effektivt eksempel er en kemisk teknologi kaldet "krydskobling", sammenføjningen af ​​to benzenderivater ved at anvende et metal. For eksempel kan man ved hjælp af et metal som palladium eller kobber accelerere sammenføjningen af ​​to benzenderivater, der indeholder halogenfunktionelle grupper. Opfinderne af denne teknologi blev tildelt Nobelprisen i 2010 og havde stor indflydelse på den farmaceutiske verden. Opdagelsen af ​​en let teknik til effektivt at forbinde to benzenderivater kørte sammen udviklingen af ​​mange nye lægemidler, en sag hvor midlerne definerede enden. Tidligere til dette arbejde krævede sammenføjningen af ​​to sådanne molekyler hårde reaktionsbetingelser med temperaturer over 100 oC og forlængede reaktionstider, hvilket gør dem uegnede til industrielle anvendelser. C-H-funktionalisering kan opnå samme transformation som krydskobling på strømlinet måde, hvilket giver mindre affald og kræver færre farlige reagenser.

Dette er blot en af ​​mange transformationer, som C-H-funktionalisering har potentialet til at revolutionere. Konceptuelt har C-H-funktionalisering potentialet til at udføre alle de reaktioner, der i øjeblikket er udført under anvendelse af de reaktive karakter af funktionelle grupper, men at anvende C-H-bindinger som reaktionspartner. I væsentlig grad giver adgang til alle organiske stilladser på en strømlinet og miljømæssig bæredygtig måde.

NSF: Hvordan kunne denne forskning føre til renere og mere bæredygtige initiativer i den kemiske verden?

H.D.: Kernekonceptet, der muliggør C-H-funktionalisering, er en af ​​selektiv katalyse. En katalysator er et materiale, der tilføjes til en reaktion, der accelererer det, men forbruges ikke i transformationen og er således tilgængelig for at fortsætte med at udføre den samme transformation mange gange. Katalysatorer kan være exceptionelt bæredygtige, fordi de kan danne færre farlige affaldsprodukter, og fordi de ikke forsvinder, kan bruges i meget små mængder. Vores center har udviklet en katalysator, der kan gøre 1 million omsætninger, hvilket betyder at for hver 1 million nye molekyler, der er lavet, kræves kun 1 molekyle af katalysatoren.

NSF: Hvad er de landbrugsmæssige konsekvenser for denne forskning?

H.D.: Størstedelen af ​​agrokemikalier, der anvendes til enten at modulere plantevækst eller bekæmpelse skadedyr, er organiske molekyler. Udviklingen af ​​C-H-funktionalisering har potentialet til ikke blot at strømline syntesen af ​​sådanne forbindelser, men også afsløre effektive ruter til nye agenter, der tilbyder disse niveauer af kontrol, som for øjeblikket enten er videnskabeligt eller kommercielt utilgængelige.

Hvert organisk kemikalie starter med et skelet eller ramme, der er lavet af kulstof og hydrogen. Traditionelt har kemikere betragtet disse carbon-hydrogen- eller C-H-bindinger for at være kemisk inaktive. De kemisk reaktive dele af molekylet, hvor interessante nye kombinationer sker, kaldes funktionelle grupper. Ny forskning vil gøre C-H-obligationerne levedygtige og effektive reaktionspartnere, og fjerne afhængigheden af ​​funktionelle grupper.

Hvert organisk kemikalie starter med et skelet eller ramme, der er lavet af kulstof og hydrogen. Traditionelt har kemikere betragtet disse carbon-hydrogen- eller C-H-bindinger for at være kemisk inaktive. De kemisk reaktive dele af molekylet, hvor interessante nye kombinationer sker, kaldes funktionelle grupper. Ny forskning vil gøre C-H-obligationerne levedygtige og effektive reaktionspartnere, og fjerne afhængigheden af ​​funktionelle grupper.

Kredit: National Science Foundation

NSF: Hvorfor kræver centret et hold af individer fra så mange forskellige felter?

H.D.: Udfordringerne, der står over for at bringe C-H-funktionalisering ind i den generelle organiske kemi, går ud over en enkelt investigators kapacitet. Centret forbinder 15 akademiske institutioner, herunder 23 fakultetsledere og mere end 75 kandidatforskere. Vi samler feltledere fra tværs over de kemiske videnskaber, såsom syntetisk organisk kemi, uorganisk kemi, teoretisk kemi, fysisk organisk kemi, farmaceutiske videnskaber, materialevidenskab og kemiteknik. Vores arbejde giver et niveau af indsigt og detaljer, der kun er muligt, når du har denne type samarbejdsnetværk.

NSF: Hvad er de næste trin i din forskning?

H.D.: Det ultimative mål for CCHF er at bringe C-H-funktionalisering ind i mainstream organisk kemi, der gør det muligt for jævnaldrende i det videnskabelige samfund at anvende denne teknologi ved at anvende den på syntese af farmaceutiske midler ved at bruge det syntetisere materialer. Dette vil blive opnået gennem banebrydende katalysator design, udvikling af nye transformationer og en dyb forståelse af denne kemi.

Følg alle spørgsmålene og debatterne fra Expert Voices - og blive en del af diskussionen - på Facebook, Twitter og Google+. Synspunkterne er de af forfatteren og afspejler ikke nødvendigvis udgiverens synspunkter. Denne version af artiklen blev oprindeligt udgivet på WordsSideKick.com.


Video Supplement: Slacker, Dazed and Confused, Before Sunrise: Richard Linklater Interview, Filmmaking Education.




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com