Forskare har utvecklat en kemisk process som kan göra en klass av polymerer som kallas polysulfater mer konkurrenskraftiga med polykarbonater - robust plast som kan bilda strukturella paneler som de som visas här. Sådana paneler kan användas som byggmaterial. Polykarbonatplaster används också för skyddsglasögon och vattenflaskor, bland andra applikationer. Upphovsman:falconsoft/Pixabay
Ett team av forskare har utvecklat ett snabbare och enklare sätt att göra svavelhaltiga polymerer som kommer att sänka kostnaderna för storskalig produktion.
Prestationen, publiceras i Naturkemi och Angewandte Chemie , öppnar dörren för att skapa nya produkter från denna klass av polymerer samtidigt som de producerar mycket mindre farligt avfall. Forskarnas reaktionsteknik, dubbad SuFEx för svavel(VI)fluoridutbyte, kombinerat med en nyligen identifierad klass av katalysatorer som påskyndar reaktionerna, kan användas för att göra allt från vattenflaskor och mobiltelefonfodral till medicintekniska produkter och skottsäkert glas.
När en användbar molekyl upptäcks, det finns få reaktioner som kemister kan använda som är enkla och effektiva nog att möta industriella produktionskrav för kostnadseffektiv uppskalning. År 2001, Nobelpristagaren K. Barry Sharpless introducerade ett nytt koncept för organisk kemi känt som "klickkemi, " som beskriver en uppsättning kontrollerbara, mycket reaktiva reaktioner som ger högt utbyte och kräver liten eller ingen rening.
Efter naturens exempel, klickreaktioner följer enkla protokoll, använda lättillgängliga utgångsmaterial, och arbeta under milda reaktionsförhållanden med godartade startreagenser. Klickkemi har blivit ett värdefullt verktyg för att generera stora bibliotek med potentiellt användbara föreningar när industrier vill hitta nya läkemedel och material.
En forskare visar bulksyntes av ett polysulfat, som bygger på en kemisk teknik som kallas en SuFEx-reaktion. Kredit:Berkeley Lab
Forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory's (Berkeley Lab) Molecular Foundry, en anläggning som är specialiserad på vetenskap i nanoskala, arbetade med ett team ledd av Sharpless och Peng Wu, professorer vid Scripps Research Institute (TSRI). Teamet skapade långa kedjor av sammanlänkade svavelhaltiga molekyler, kallade polysulfater och polysulfonater, med en SuFEx -klickreaktion.
"Klickkemi är ett kraftfullt verktyg för materialupptäckt, men syntetiska kemister är ofta inte väl rustade för att karakterisera de polymerer de skapar, "sa Yi Liu, chef för anläggningen för organisk syntes vid Molecular Foundry. "Vi kan tillhandahålla ett brett spektrum av expertis och instrument som kan utöka omfattningen och effekten av deras forskning."
SuFEx-reaktionen, introducerades som en ny familj av klickreaktioner 2014, skapar pålitligt och snabbt nya kemiska bindningar, binder samman föreningar med sulfater eller sulfonater. Medan polysulfater har visat stor potential som konkurrenter till polykarbonater (stark plast som används för glasögonlinser och vattenflaskor, till exempel), de har sällan använts för industriella tillämpningar på grund av bristen på tillförlitliga och lätt skalbara syntetiska processer.
För att övervinna utmaningarna med masstillverkning av polysulfater och polysulfonater, TSRI-teamet undersökte olika katalysatorer och startreagenser för att optimera SuFEx-reaktionen. De förlitade sig på sina medarbetare vid Molecular Foundry för att bedöma fysikaliska egenskaper och avgöra om de nyskapade polymererna var termiskt stabila produkter.
En nyutvecklad kemisk teknik kan göra polysulfatplaster mer konkurrenskraftiga med polykarbonater, som används för att göra skyddsglasögon som de som visas här. Kemiska diagram som är relevanta för den nya tekniken visas i bakgrunden. Kredit:Wikimedia Commons, Berkeley Lab
Polymerer är sammansatta av mindre molekyler - som att stränga ett upprepat mönster av pärlor på ett halsband. När du skapar ett "halsband" av polysulfonat med SuFEx, forskarna identifierade etensulfonylfluorid-amin/anilin och bisfenoleter som bra "pärlor" att använda och fann att användningen av bifluoridsalt som katalysator fick den tidigare långsamma reaktionen att "klicka" till handling. Forskare fann att reaktionens höga effektivitet resulterar i en anmärkningsvärd omvandling på 99 procent, från att starta reaktanter till produkter, på mindre än en timme.
Forskare fann att den nya reaktionen kräver 100 till 1, 000 gånger mindre katalysator än andra kända metoder, vilket resulterar i betydligt mindre farligt avfall. Bifluoridsalter är också mycket mindre frätande än tidigare använda katalysatorer, möjliggör ett bredare utbud av startsubstrat "pärlor, "som forskare sa att de hoppas kan leda till att det antas för en rad industriella processer.
"Det finns många nya polymerer som inte har använts i stor utsträckning av industrin tidigare, ", sa Liu. "Genom att minska avfallet och förbättra produktens renhet, vi sänker kostnaderna och gör denna reaktion mycket mer branschvänlig."
Molecular Foundry är ett DOE Office of Science User Facility som ger gratis tillgång till toppmodern utrustning och tvärvetenskaplig expertis inom nanoskala till besökande forskare från hela världen.
