Forskere udvikler hurtig kemi, der låser op for en ny klasse af polymerer

Et team af forskere har udviklet en hurtigere og lettere måde at fremstille svovlholdige polymerer, der vil sænke omkostningerne ved storstilet produktion.

Præstationen, udgivet i Naturkemi og Angewandte Chemie , åbner døren for at skabe nye produkter fra denne klasse af polymerer og samtidig producere langt mindre farligt affald. Forskernes reaktionsteknik, døbt SuFEx til svovl(VI)fluoridudveksling, kombineret med en nyligt identificeret klasse af katalysatorer, der fremskynder reaktionerne, kunne bruges til at lave alt fra vandflasker og mobiltelefonetuier til medicinsk udstyr og skudsikkert glas.

Når et nyttigt molekyle opdages, der er få reaktioner, som kemikere kan bruge, som er enkle og effektive nok til at opfylde de industrielle produktionskrav til omkostningseffektiv opskalering. I 2001, Nobelpristageren K. Barry Sharpless introducerede et nyt koncept til organisk kemi kendt som "klikkemi, "beskriver en række kontrollerbare, yderst reaktive reaktioner, der er højtydende og kræver lidt eller ingen oprensning.

Efter naturens eksempel, klikreaktioner følger simple protokoller, bruge let tilgængelige udgangsmaterialer, og arbejde under milde reaktionsforhold med godartede startreagenser. Klikkemi er blevet et værdifuldt værktøj til at generere store biblioteker af potentielt nyttige forbindelser, efterhånden som industrier søger at opdage nye lægemidler og materialer.

Forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory's (Berkeley Lab) Molecular Foundry, en facilitet, der er specialiseret i nanoskalavidenskab, arbejdet med et team ledet af Sharpless og Peng Wu, professorer ved Scripps Research Institute (TSRI). Holdet skabte lange kæder af forbundne svovlholdige molekyler, benævnt polysulfater og polysulfonater, ved hjælp af en SuFEx-klikreaktion.

"Klikkemi er et kraftfuldt værktøj til materialeopdagelse, men syntetiske kemikere er ofte ikke godt rustet til at karakterisere de polymerer, de skaber, " sagde Yi Liu, direktør for den organiske syntesefacilitet på Molecular Foundry. "Vi kan levere et bredt spektrum af ekspertise og instrumentering, der kan udvide omfanget og virkningen af ​​deres forskning."

SuFEx-reaktionen, introduceret som en ny familie af klikreaktioner i 2014, skaber pålideligt og hurtigt nye kemiske bindinger, forbinder forbindelser med sulfater eller sulfonater. Mens polysulfater har vist et stort potentiale som konkurrenter til polycarbonater (stærk plast, der bruges til brilleglas og vandflasker, for eksempel), de er sjældent blevet brugt til industrielle anvendelser på grund af mangel på pålidelige og let skalerbare syntetiske processer.

For at overvinde udfordringerne ved massefremstilling af polysulfater og polysulfonater, TSRI -teamet undersøgte forskellige katalysatorer og startreagenser for at optimere SuFEx -reaktionen. De stolede på deres samarbejdspartnere på Molecular Foundry til at vurdere fysiske egenskaber og afgøre, om de nyskabte polymerer var termisk stabile produkter.

Polymerer er samlet af mindre molekyler - som at snore et gentaget mønster af perler på en halskæde. Ved at skabe en polysulfonat "halskæde" med SuFEx, forskerne identificerede ethensulfonylfluorid-amin/anilin og bisphenolether som gode "perler" at bruge og fandt ud af, at brugen af ​​bifluoridsalt som katalysator fik den tidligere langsomme reaktion til at "klikke" til handling. Forskere fandt ud af, at den høje effektivitet af reaktionen resulterer i en bemærkelsesværdig 99 procent omdannelse, fra start af reaktanter til produkter, på mindre end en time.

Forskere fandt ud af, at den nye reaktion kræver 100 til 1, 000 gange mindre katalysator end andre kendte metoder, resulterer i væsentligt mindre farligt affald. Bifluoridsalte er også meget mindre ætsende end tidligere brugte katalysatorer, muliggør en bredere vifte af startsubstrat "perler, "hvilket forskere sagde, at de håber kunne føre til dets vedtagelse til en række industrielle processer.

"Der er mange nye polymerer, der ikke har været meget udbredt af industrien før, " sagde Liu. "Ved at reducere spild og forbedre produktets renhed, vi sænker omkostningerne og gør denne reaktion meget mere industrivenlig."

Molecular Foundry er en DOE Office of Science User Facility, der giver gratis adgang til det nyeste udstyr og multidisciplinær ekspertise inden for nanoskalavidenskab til besøgende videnskabsmænd fra hele verden.