Dokładność atomowa w tworzeniu złożonych cząsteczek

Dokładność atomowa w tworzeniu złożonych cząsteczek

Maxim Abaev,
Kandydat nauk chemicznych
"Nauka i życie" №4, 2016

Czym jest precyzja atomowa? Fizycy prawdopodobnie powiedzą, że tak jest, gdy każdy konkretny atom jest ważny dla eksperymentu. Na przykład, używając mikroskopu sił atomowych, można nie tylko zobaczyć pojedyncze cząsteczki, a nawet atomy na powierzchni materiałów, ale także indywidualnie je przenosić. Naukowcy z jednego laboratorium zrobili nawet kreskówkę, narysowaną przez prawdziwe cząsteczki. Oczywiście takie technologie nie są tworzone w celu angażowania się w mnożenie atomów – manipulacja pojedynczymi atomami pozwala tworzyć nośniki pamięci o niewyobrażalnej pojemności.

Rama z kreskówki Chłopiec i jego atomrysowane przez atomy za pomocą mikroskopu sił atomowych. Ilustracja: IBM

Fakt, że prędzej czy później ludzkość nauczy się radzić sobie z pojedynczymi atomami i cząsteczkami, mówiła w połowie ubiegłego wieku, słynny fizyk Richard Feynman. Jego prorocka fraza: "Tam jest dużo miejsca" – faktycznie stała się motto, w ramach którego rozwijają się nowoczesne nanotechnologie. Istnieje jednak jeden mały problem.Tak, nauczyliśmy się manipulować materią na poziomie atomowym, jednak w ten sposób nadal nie można stworzyć materii w żadnej znaczącej ilości. Aby zdać sobie sprawę z skali, która oddziela nanoświat i świat rzeczywisty, możesz wziąć długopis i napisać na kartce liczbę z dwudziestoma pięcioma zerami – tak jak wiele cząsteczek znajduje się w zwykłej szklance wody. Dlatego jeśli chcesz "przenieść" atomy w namacalnych ilościach, nie pomogą tu istniejące metody fizyczne – zbyt drogie i zbyt długie. W związku z "masowym" łączeniem cząsteczek, chemia nadal dominuje. To prawda, że ​​współczesna chemia organiczna już bardzo różni się od tej, która jest studiowana w liceum.

Czym jest "klasyczna" synteza organiczna? Umieść substancję w kolbie Adodaj substancję do tego Bdodajemy rozpuszczalnik, ogrzewając, mieszamy i otrzymujemy substancję C. Następnie od substancji C podobnie otrzymujemy substancję D i tak dalej przez łańcuch. Schemat wygląda dobrze na papierze, ale w rzeczywistości wszystko okazuje się być bardziej skomplikowane. Po przeprowadzeniu pierwszej z reakcji, oprócz pożądanego produktu w kolbie, będą różne zanieczyszczenia, rozpuszczalnik, nieprzereagowane materiały wyjściowe.Dlatego przed uruchomieniem substancji w następnej reakcji musi być ona odizolowana od powstałego "bulionu" i oczyszczona. I to znowu czas, koszty, litry szkodliwych rozpuszczalników i, co ważne, utrata produktu. Jeśli nie potrzeba jednego, nie dwóch, ale około dziesięciu kolejnych etapów, aby uzyskać złożoną substancję, na przykład antybiotyk, można sobie wyobrazić, ile chemii wlewa się do probówki przez kilka gramów końcowego produktu. A im bardziej złożona jest substancja (i nowocześni chemicy zajmują się syntezą cząsteczek składających się z kilkuset atomów i dziesiątek grup funkcyjnych), tym droższe jest jej uzyskanie. Potrzebujesz coś zrobić.

Jak dodać nową grupę do złożonej cząsteczki lub zastąpić ją inną bez otrzymywania kilogramów niepotrzebnych substancji bez użycia ekstremalnego ciśnienia i temperatury oraz bez użycia egzotycznych rozpuszczalników? Pożądane jest również, aby cała wieloetapowa synteza odbywała się dosłownie w jednej kolbie – tutaj chemicy mają swoje małe, samoobsługowe interesy, nie będą musieli myć stosu brudnych naczyń. Trzeba powiedzieć, że natura rozwiązała ten problem już dawno temu, "rozwijając" swoją chemię – biochemię, w której wszystkie reakcje przebiegają z udziałem katalizatorów, którymi są enzymy.Jednak aby odtworzyć mechanizm reakcji enzymatycznych, trzeba będzie stworzyć sztuczną komórkę – z całym zestawem najbardziej złożonych mechanizmów biochemicznych. Dlatego chemicy chcieli czegoś prostszego, nawet jeśli nie jest tak skuteczny. Tak powstała koncepcja wysoce selektywnych i wydajnych atomowo technologii chemicznych – reakcji chemicznych, w których uzyskujemy substancje o złożonym składzie, potrzebną strukturę i robimy to wszystko w sposób najbardziej przyjazny dla środowiska i najmniej kosztowny.

Metody, dzięki którym można było "uszczypnąć" kawałek od cząsteczki i praktycznie chirurgicznie uszyć inny, wcześniej jednak, im trudniejsze stają się zsyntetyzowane obiekty, tym trudniej jest im manipulować. Na przykład, jeśli istnieje jedna grupa funkcyjna w cząsteczce, którą należy zastąpić inną, tutaj zwykła chemia może okazać się dość silna. Jeśli jednak w cząsteczce występuje dziesięć identycznych grup i konieczne jest, aby reagował tylko jeden z nich, wówczas nie można uniknąć użycia selektywnego katalizatora. Dlatego wiele złożonych reakcji jest po prostu niewykonalna bez katalizatorów zaprojektowanych do specyficznej reakcji.Ogólnie rzecz biorąc, przypomina to zasadę wdrożoną w żywych systemach, gdzie każda reakcja odpowiada swojemu własnemu enzymowi.

W 2014 r. Zespół autorów rosyjskich, w skład których wchodzili przedstawiciele 15 laboratoriów i grup badawczych z Moskwy, Sankt Petersburga, Nowosybirska, Omska, Jekaterinburga, Biysk, sformułował podstawowe zasady prowadzenia reakcji na budowę cząsteczek organicznych z dokładnością atomową. Przegląd, opublikowany w czasopiśmie Chemistry Advances, opisuje szeroką gamę katalitycznych metod syntezy związków: od przemysłowej produkcji substancji organicznych do organicznej elektroniki i supramolekularnych żeli – nowej klasy inteligentnych materiałów, które zmieniają swoje właściwości w zależności od wpływów zewnętrznych.

Wysoce selektywne katalizatory mogą z powodzeniem zastąpić klasyczne metody syntezy wielu powszechnie stosowanych substancji. Weź ten przykład: kupując detergent do zmywania, prawdopodobnie preferujesz jakiś szczególny smak – cytrynę, jabłko, a nawet owoce tropikalne. Jak można się domyślić, nikt ani cytryny, ani jabłka, ani inne owoce w płynie do zmywania nie dodają, a ich zapach powstaje dzięki sztucznym aromatom.Jest to prawdopodobnie najbardziej przyjemnie pachnąca część chemii organicznej – związki należące do klasy tak zwanych estrów. Klasyczny sposób syntezy estru polega na przeprowadzeniu reakcji między kwasem organicznym i alkoholem w obecności silnego kwasu nieorganicznego, który działa jak katalizator – jeśli nadal pamiętasz chemię organiczną ze szkoły, jest to reakcja estryfikacji. Ale jeśli używasz nowoczesnych katalizatorów, wtedy estry można uzyskać z prostych alkoholi z wysoką wydajnością. W tym celu należy wziąć dwa różne alkohole i katalizator rutenowy, na przykład w interesującej reakcji oksydacyjnego sprzęgania krzyżowego:

Idea koncepcji wysoce selektywnej syntezy znalazła odpowiedź w międzynarodowym środowisku naukowym. Już w tym roku opublikowano specjalny numer czasopisma naukowego. Chemistry – An Asian Journalpoświęcony precyzji atomowej w przemianach katalitycznych.

Tak więc nowoczesna chemia organiczna stopniowo odchodzi od tej, która pachnie szkodliwymi rozpuszczalnikami i zostawia setki zabrudzonych kolb, do całkowicie ekologicznej i ekonomicznej "zielonej chemii".

Według materiałów: Russ. Chem. Rev. 2014, 83, 885-985 i Chem. Asian J. 2016, 11, 328-329; doi.: 10.1002 / asia.201501405.


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: