Kredit:CC0 Public Domain
Att skapa nya kemiska föreningar, som nya läkemedel, är inte så enkelt som att sätta ihop en av dessa modeller med färgade kulor och pinnar som du kanske har sett i en nybörjarkemiklass. Nej, det är ofta en komplex process med många steg och många kemiska deltagare, varav några är giftiga och miljöfarliga.
En teknik som används vid kemisk syntes kallas väteatomöverföring, eller HAT. Det är ett potentiellt kraftfullt och mångsidigt kemiskt verktyg, men tekniska begränsningar har begränsat dess användning. Nu har kemister vid University of Utah, Scripps Research, och deras kollegor lånat en teknik från energilagringens kemi för att åstadkomma HAT med färre kemikalier och mindre kostnad.
"HAT lagrar potentialen för otroligt användbara transformationer", säger Samer Gnaim från Scripps Research, första författare till en studie som rapporterar forskarnas resultat. "Genom introduktionen av ett fundamentalt nytt koncept kan dessa kemiska utmaningar lösas, vilket etablerar HAT som ett lättillgängligt verktyg för de allra flesta organiska kemikalier i både industriella och akademiska miljöer."
Studien publiceras i Nature .
"Detta är ett klassiskt exempel på behovet av multidisciplinära centra som sammanför organiska kemister, elektrokemi och beräkningsforskare för att ta itu med stora problem inom organisk syntes", säger Minteer, framstående professor i kemi.
HAT:s löften och utmaningar
HAT är en process som helt enkelt flyttar en väteatom från en molekyl till en annan. Det är användbart för att använda omättade kol-kol-bindningar - den vanligaste användbara kemiska bindningen i organisk kemi - för att skapa ett brett utbud av nya bindningar som kol-kol, kol-syre och kol-kvävebindningar. Alla dessa är viktiga steg för att bygga komplexa molekyler. Att skapa nya bindningar från en kol-kol dubbelbindning kallas "funktionalisering."
"Funktionaliseringen av sådana bindningar är en attraktiv strategi för att konstruera molekyler och uppnå molekylär komplexitet på ett effektivt sätt", säger Gnaim.
Men hur användbart det än är så har HAT sina nackdelar. Den enkla processen att flytta en väteatom kräver ytterligare kemikalier som oxidanter och reduktionsmedel för att skapa en aktiv katalysator, en förening som hjälper reaktionen att fortsätta. Oxidationsmedel och reduktionsmedel behövs i stora mängder, vilket gör det opraktiskt att använda HAT i stor skala och nästan omöjligt att tillämpa för industriella kemiska processer.
Insikt från energilagring
Medan kemister har brottats med hur man kan förbättra HAT, har energilagringsforskare samtidigt utvecklat en process som kan hjälpa. Att lagra energi i form av väte innebär att positivt laddade protoner omvandlas till vätemolekyler med hjälp av en kobolthydridkatalysator. Det är samma typ av katalysator som behövs för HAT-processen.
Men energilagringsområdet har kunnat bygga kobolthydridkatalysatorer med hjälp av protoner och elektroner som stand-ins för oxidanter och reduktionsmedel – en helt annan kemisk process för att uppnå samma slutprodukt.
Så Gnaim och hans kollegor jämförde hur den elektrokemiska processen kan jämföras med konventionell HAT-kemi genom att utvärdera dess prestanda i ett brett spektrum av organiska kemiska reaktioner. Resultaten var mycket uppmuntrande. Att använda elektrokemi för att skapa kobolthydridkatalysatorer var mer hållbart och effektivt, fann de, och gjorde till och med processen mer exakt och avstämbar.
Vad vi kan göra nu
Den elektrokemiska processen erbjöd andra fördelar. Det kunde utföras i små eller stora partier, utan de komplicerade stegen att ta bort all luft eller vatten från processen och lämnade efter sig behovet av dyra oxidanter och reduktionsmedel.
"Kemister försöker ständigt utöka den kemiska reaktiviteten till nya utrymmen som tillåter upptäckten av nya transformationer som kan förbättra upptäcktsprocesserna för nya läkemedel," säger Gnaim. "I vårt fall kan vi komma åt nya molekylära motiv genom att använda miljövänliga och billiga ämnen som förlitar sig på användningen av klassiska HAT-reaktioner och nya transformationer." + Utforska vidare
