Reinventing Hoe Chemicaliën Worden Gemaakt

{h1}

Om de volgende generatie farmaceutische producten, hightechmaterialen en andere organische chemicaliën te bouwen, ontwikkelen onderzoekers geheel nieuwe manieren om moleculen stuk voor stuk te bouwen, met minder afval en hogere snelheden.

Charlie Heck is een multimedia-nieuwsredacteur bij de Amerikaanse National Science Foundation (NSF). Ze heeft dit artikel, onderdeel van de serie NSF Science Nation, bijgedragen aan WordsSideKick.com's Expertvoices: Op-Ed & Insights.

Koolstof en waterstof zijn de bouwstenen van het leven. Elk levend wezen op deze planeet - elke plant, elk dier - bestaat grotendeels uit deze sleutelelementen.

De onderzoekers met het NSF-centrum voor selectieve C-H-functionalisatie (CCHF) ontwikkelen efficiënte methoden voor het maken van verbindingen die uiteindelijk farmaceutische producten worden, bouwstenen voor nieuwe materialen en andere bruikbare moleculen.

De onderzoekers met het NSF-centrum voor selectieve C-H-functionalisatie (CCHF) ontwikkelen efficiënte methoden voor het maken van verbindingen die uiteindelijk farmaceutische producten worden, bouwstenen voor nieuwe materialen en andere bruikbare moleculen.

Krediet: Joe Boris, Boris Photography Inc

Met steun van de NSF hebben de organische chemicus Huw Davies en collega's van de Emory University een all-star team samengebracht, waaronder onderzoeksfaculteit en studenten van universiteiten in de Verenigde Staten en de wereld, om het Centrum voor Selectieve C-H-functionalisatie (CCHF) te creëren. Het doel is simpel: opnieuw uitvinden hoe chemicaliën worden gemaakt.

Het CCHF zal nieuwe manieren ontwikkelen om de ooit inerte koolstof-waterstofbindingen in organische moleculen om te zetten in chemisch actieve centra om nieuwe moleculaire stukken met geheel nieuwe functies te verbinden. Om dat doel te bereiken, ontdekt het onderzoeksteam nieuwe, selectieve katalysatoren om de moleculen te manipuleren en ontwikkelen ze de complexe modellen die zullen helpen bij het gebruik van de nieuwe benaderingen door chemici. Uiteindelijk zal het onderzoek leiden tot nieuwe geneesmiddelen, nieuwe technieken om materialen voor te bereiden en een nieuw begrip van de natuurlijke wereld, op een meer gestroomlijnde en ecologisch duurzame manier.

Hieronder geeft Davies een Q + A met context voor het onderzoek en het centrum.

NSF: Hoe verschilt de organische chemie van de algemene chemie die de meeste mensen kennen?

Huw Davies: Het eerste waar veel mensen aan denken als je over organische chemie praat, is het 'organische' label dat overal in voedsel en cosmetica wordt gepleisterd. Dat is geen organische chemie. De naam biologisch vindt zijn oorsprong in onderzoek dat meer dan 100 jaar geleden werd gedaan en waarin werd gekeken naar de chemie van levende wezens, zowel dieren als planten. Toen wetenschappers die processen beter gingen begrijpen, werd de reikwijdte van dit veld uitgebreid. Tegenwoordig heeft organische chemie betrekking op verbindingen die voornamelijk gebaseerd zijn op de elementen koolstof en waterstof, maar ook zuurstof, stikstof, zwavel, fosfor, natrium en kalium bevatten. Deze kleine subset van elementen, een fractie van het Periodiek Systeem, samen met een paar andere, onderstrepen een groot deel van de moderne wetenschap - van moleculaire probes die biologische processen in kaart brengen, tot farmaceutische agentia, tot dunne films die de schermen op groot scherm weergeven monitoren en smartphones.

NSF: Hoe worden organische moleculen gebouwd?

H.D.: Koolwaterstoffen vertegenwoordigen een van de meest basale klassen van organische moleculen. In die moleculen vormt elk koolstofatoom vier bindingen met andere koolstof- of waterstofatomen. (Een binding vertegenwoordigt het delen van elektronen tussen twee atomen, effectief de "lijm" die de atomen bij elkaar houdt om een ​​molecuul te vormen.) Een "functionele groep" vervangt een of meer van de waterstofatomen door een ander atoom, of een groep atomen, zoals zuurstof, stikstof of zwavel. Enkele veel voorkomende functionele groepen zijn alcoholen, aminen en zuren [en ze hebben een specifieke functie]. Vergeleken met de koolstof- en waterstofatomen zijn deze functionele groepen veel reactiever, wat betekent dat ze elektronen kunnen doneren of accepteren van binnen hetzelfde molecuul of van een ander molecuul, wat resulteert in het vormen en / of breken van nieuwe bindingen. Deze reacties tussen functionele groepen worden gebruikt om kleine en eenvoudige moleculen samen te voegen om de grote complexe moleculen te bouwen die nodig zijn in farmaceutische of materiaalwetenschap.

Een van de grootste drijfveren in de chemie van de afgelopen 20 jaar was het ontwikkelen van schonere, effectievere en efficiëntere chemietechnieken. C-H-functionalisatie kan de manier waarop chemicaliën worden gemaakt, veranderen. Nieuwe katalysatoren zullen de chemische productie stroomlijnen en giftige bijproducten sterk verminderen.

Een van de grootste drijfveren in de chemie van de afgelopen 20 jaar was het ontwikkelen van schonere, effectievere en efficiëntere chemietechnieken. C-H-functionalisatie kan de manier waarop chemicaliën worden gemaakt, veranderen. Nieuwe katalysatoren zullen de chemische productie stroomlijnen en giftige bijproducten sterk verminderen.

Krediet: Joe Boris, Boris Photography Inc

NSF: Wat is het gebied van C-H-functionalisatie en wat zijn enkele van de mogelijke gevolgen?

H.D.: C-H-functionalisatie verandert de conventionele logica van organische chemie volledig. Het beschrijft een nieuwe manier om organische moleculen samen te stellen die de afhankelijkheid van functionele groepen wegnemen. Traditioneel om een ​​nieuwe binding tussen twee moleculen te maken, vormt de nieuwe binding tussen twee functionele groepen. Eén of beide van deze groepen wordt tijdens dit proces uit het molecuul verwijderd, wat afvalproducten in chemische reacties genereert. In C-H-functionalisatie kan de nieuwe binding worden gevormd tussen eenvoudige, alomtegenwoordige C-H-bindingen. Dit heeft een aantal belangrijke voordelen; er wordt aanzienlijk minder afval geproduceerd, er hoeven geen functionele groepen te worden gemaakt voordat de reactie kan plaatsvinden en nieuwe, voorheen ontoegankelijke methoden om nieuwe moleculen samen te voegen, zijn nu mogelijk.

Als u een actueel expert bent - onderzoeker, zakelijk leider, auteur of innovator - en een nieuw stuk wilt bijdragen, e-mail ons hier.

Als u een actueel expert bent - onderzoeker, zakelijk leider, auteur of innovator - en een nieuw stuk wilt bijdragen, e-mail ons hier.

NSF: Wat zijn enkele van de al lang bestaande laboratoriummethoden die dit nieuwe onderzoek zou kunnen elimineren?

H.D.: C-H Functionalisatie heeft het potentieel om de organische chemie grotendeels te beïnvloeden.Een bijzonder effectief voorbeeld is een chemische technologie die 'kruiskoppeling' wordt genoemd, het samenvoegen van twee benzeenderivaten door een metaal te gebruiken. Door bijvoorbeeld een metaal zoals palladium of koper te gebruiken, kan het samenvoegen van twee benzeenderivaten die halogeenfunctionele groepen bevatten, worden versneld. De uitvinders van die technologie kregen in 2010 de Nobelprijs en hadden een enorme impact op de farmaceutische wereld. De ontdekking van een gemakkelijke techniek om twee benzeenderivaten efficiënt met elkaar te verbinden, leidde tot de ontwikkeling van veel nieuwe geneesmiddelen, een geval waarbij het middel het einde definieerde. Voorafgaand aan dit werk vereiste het samenvoegen van twee van dergelijke moleculen ruwe reactieomstandigheden, met temperaturen boven 100 oC en verlengde reactietijden, waardoor ze ongeschikt zijn voor industriële toepassingen. C-H-functionalisering kan dezelfde transformatie bereiken als kruiskoppeling, op een gestroomlijnde manier, minder afval genererend en minder gevaarlijke reagentia.

Dit is slechts een van de vele transformaties die C-H-functionalisering potentieel revolutionair kan maken. Conceptueel gezien heeft C-H-functionalisatie het potentieel om alle reacties uit te voeren die momenteel worden uitgevoerd met behulp van de reactieve aard van functionele groepen, maar waarbij C-H-bindingen worden gebruikt als de reactiepartner. In wezen het verschaffen van toegang tot alle organische steigers op een gestroomlijnde en uit milieuoogpunt duurzame wijze.

NSF: Hoe kan dit onderzoek leiden tot schonere, meer duurzame initiatieven in de chemische wereld?

H.D.: Het kernconcept dat C-H-functionalisering mogelijk maakt, is er een van selectieve katalyse. Een katalysator is een materiaal dat wordt toegevoegd aan een reactie die het versnelt, maar niet wordt verbruikt in de transformatie en dus beschikbaar is om dezelfde transformatie vele malen uit te voeren. Katalysatoren kunnen uitzonderlijk duurzaam zijn omdat ze minder gevaarlijke afvalproducten kunnen vormen, en omdat ze niet verdwijnen, kunnen ze in zeer kleine hoeveelheden worden gebruikt. Ons centrum heeft een katalysator ontwikkeld die 1 miljoen omzet kan doen, wat betekent dat voor elke miljoen nieuwe moleculen die worden gemaakt, slechts 1 molecuul van de katalysator nodig is.

NSF: Wat zijn de landbouwimplicaties voor dit onderzoek?

H.D.: Het merendeel van de agrochemicaliën, gebruikt om plantengroei te moduleren of controlegewassen te reguleren, zijn organische moleculen. De ontwikkeling van C-H-functionalisatie heeft het potentieel om niet alleen de synthese van dergelijke verbindingen te stroomlijnen, maar ook efficiënte routes te onthullen voor nieuwe agentia die deze controleniveaus bieden, die momenteel wetenschappelijk of commercieel ontoegankelijk zijn.

Elke organische chemische stof begint met een skelet, of raamwerk, gemaakt van koolstof en waterstof. Van oudsher beschouwen scheikundigen die koolstof-waterstof- of C-H-banden als chemisch inactief. De chemisch reactieve delen van het molecuul, waar interessante nieuwe combinaties plaatsvinden, worden functionele groepen genoemd. Nieuw onderzoek zal de C-H-banden levensvatbare en efficiënte reactiepartners maken, waardoor de afhankelijkheid van functionele groepen wordt weggenomen.

Elke organische chemische stof begint met een skelet, of raamwerk, gemaakt van koolstof en waterstof. Van oudsher beschouwen scheikundigen die koolstof-waterstof- of C-H-banden als chemisch inactief. De chemisch reactieve delen van het molecuul, waar interessante nieuwe combinaties plaatsvinden, worden functionele groepen genoemd. Nieuw onderzoek zal de C-H-banden levensvatbare en efficiënte reactiepartners maken, waardoor de afhankelijkheid van functionele groepen wordt weggenomen.

Krediet: National Science Foundation

NSF: Waarom heeft het centrum een ​​team van individuen nodig uit zo'n breed scala aan velden?

H.D.: De uitdagingen waarmee de C-H-functionalisering in de reguliere organische chemie wordt geconfronteerd, zijn niet meer voldoende voor één onderzoeker. Het centrum verbindt 15 academische instellingen, waaronder 23 faculteitsleden en meer dan 75 afgestudeerde onderzoekers. We brengen veldleiders uit de chemische wetenschappen samen, zoals synthetische organische chemie, anorganische chemie, theoretische chemie, fysische organische chemie, farmaceutische wetenschappen, materiaalwetenschappen en chemische technologie. Ons werk biedt een niveau van inzicht en detail dat alleen mogelijk is als u dit type samenwerkingsnetwerk hebt.

NSF: Wat zijn de volgende stappen in je onderzoek?

H.D.: Het uiteindelijke doel van de CCHF is om C-H-functionalisering in de reguliere organische chemie te brengen, zodat leeftijdgenoten in de wetenschappelijke gemeenschap deze technologie kunnen gebruiken, toepassen op de synthese van farmaceutische agentia, door het materiaal te synthetiseren. Dit zal worden bereikt door baanbrekend katalysatorontwerp, ontwikkeling van nieuwe transformaties en een grondig begrip van deze chemie.

Volg alle Expert Voices-problemen en debatten - en deel uitmaken van de discussie - op Facebook, Twitter en Google+. De weergegeven meningen zijn die van de auteur en komen niet noodzakelijk overeen met de mening van de uitgever. Deze versie van het artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op WordsSideKick.com.


Video Supplement: Smoking vs Vaping.




Onderzoek


Mensen Die De Schuld Moeten Geven Voor Klimaatverandering, Regeringsrapport Zegt
Mensen Die De Schuld Moeten Geven Voor Klimaatverandering, Regeringsrapport Zegt

Update: Texas Fireball Real After All, Nasa Says
Update: Texas Fireball Real After All, Nasa Says

Science Nieuws


Verborgen Kanalen Onder Oost-Antarctica Kunnen Massive Melt Veroorzaken
Verborgen Kanalen Onder Oost-Antarctica Kunnen Massive Melt Veroorzaken

Testicular Cancer: Symptoms, Treatment And Prevention
Testicular Cancer: Symptoms, Treatment And Prevention

Militair Wil Computers Ons Huiswerk Doen
Militair Wil Computers Ons Huiswerk Doen

This Is Nutty: 2 Flying Squirrel Species Are Real 3
This Is Nutty: 2 Flying Squirrel Species Are Real 3

4 Kindergraven Ontdekt Op De Oude Egyptische Site
4 Kindergraven Ontdekt Op De Oude Egyptische Site


WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com