Udvikling af fluoralkylcarbonater for at gøre den farmaceutiske og kemiske industri renere og sikrere

Phosgen er meget udbredt i produktionen af ​​blandt andet lægemidler, plastik og kemiske mellemprodukter. Imidlertid har dens høje toksicitet ført til efterspørgsel efter sikrere, mere miljøvenlige alternativer.

I samarbejde med AGC Incorporated har forskere ved Kobe Universitys Graduate School of Science (lektor TSUDA Akihiko og lektor EDA Kazuo et al.) udviklet fluoralkylcarbonater, som har egenskaber, der gør dem til miljøvenlige alternativer til giftige prækursorer, der i dag anvendes i de kemiske og farmaceutiske industrier. Fluoralkylcarbonaterne har høj reaktivitet til syntetisering af farmaceutiske mellemprodukter og andre stoffer og er nemme at behandle. Tilsætning af fluor til organiske forbindelser resulterer i forskellige tilføjede egenskaber:det gør dem vand- og olieafvisende, stærke mod varme, lys og kemikalier og ændrer kemiske reaktioner.

Indtil nu har fluoralkylcarbonater været vanskelige at fremstille; teamet lykkedes dog med at syntetisere store mængder på en sikker, enkel og økonomisk måde ved hjælp af foto-on-demand-metoden udviklet af Kobe University. Gennem deres unikke akademiske tilgang afslørede forskerne også nogle nye skjulte egenskaber ved fluoralkylcarbonater. Det er håbet, at disse karbonater kan bruges i den akademiske verden og industrien til high-end forbindelser.

Patenter blev opnået i USA (november 2021) og Japan (april 2022) for photo-on-demand-processen til syntetisering af fluoralkylcarbonater. Disse forskningsresultater blev offentliggjort online i The Journal of Organic Chemistry den 18. august 2022.

Hovedpunkter

• Ved brug af fluoralkylcarbonater blev høje udbytter af farmaceutiske mellemprodukter (såsom carbamat- og urinstofderivater) syntetiseret på en sikker, enkel måde på kort tid, hvilket krævede en lav mængde energi og producerede få affaldsprodukter.
>
• Forskerne afslørede, at fluoralkylcarbonater har mange fordele i forhold til konventionelt diphenylcarbonat (5 millioner tons produceret på verdensplan om året):de er mere reaktive, og det er nemmere at rense produktet, der er resultatet af reaktionen.
• Fluoroalkylcarbonater har lave kogepunkter og blandes ikke let med væsker som vand og olie. Det betyder, at syntetiserede produkter kan renses ved blot at tørre dem, med få biprodukter tilbage.
• Store mængder fluoralkylcarbonat kan syntetiseres fra det kommercielt tilgængelige organiske opløsningsmiddel chloroform og fluoralkohol ved hjælp af foto-on-demand-syntesemetoden.
• Fluoroalkylcarbonatsyntese og syntesen af ​​kemiske produkter ved hjælp af det er nye kemiske reaktioner med lav energi, der gør mindre skade på miljøet. Det er håbet, at disse metoder vil blive etablerede teknikker, der vil bidrage meget til SDG'erne og bestræbelserne på at blive CO2-neutral.

På nuværende tidspunkt bruges en kemisk forbindelse kaldet phosgen ofte som forløber for polymerer og som et farmaceutisk mellemprodukt. Det globale fosgenmarked fortsætter med at vokse med flere procent hvert år, med omkring 8 til 9 millioner tons produceret årligt. Fosgen er dog ekstremt giftigt. Af sikkerhedsmæssige årsager udføres forskning og udvikling for at finde alternativer. Diphenylcarbonat er mindre giftigt end fosgen og bruges som erstatning i forskellige kemiske reaktioner. Dens brug er dog begrænset på grund af dens lave reaktivitet.

Derfor er der efterspørgsel efter udvikling af karbonater med høj reaktivitet for at øge antallet af reaktioner, som karbonater kan være en erstatning for. Desværre syntetiseres karbonater generelt ud fra fosgen og alkohol, så der er kun gjort få fremskridt.

Lektor Tsuda et al. for nylig gjort en verdensførste opdagelse. De var i stand til at syntetisere carbonat på en yderst effektiv måde blot ved at opløse alkohol og organiske baser i chloroform (et kommercielt tilgængeligt opløsningsmiddel) og derefter belyse den resulterende opløsning med lys. Med denne opdagelse vil det være muligt at undgå at bruge giftigt fosgen i syntesen af ​​forskellige kemiske produkter, som tidligere har krævet det.

Forskergruppen har navngivet deres opdagelse "photo on demand organisk syntesemetode" og bruger den til at skabe eksisterende nyttige forbindelser såvel som nye funktionelle kemikalier. Disse meget originale kemiske reaktioner, der er opfundet af Kobe University, udvikles gennem samarbejder mellem industri, regering og den akademiske verden med implementering som målet for denne forskning. Kobe University og AGC har udført yderligere anvendt forskning i denne syntesemetode samt udviklet funktionel polyurethan.

Organiske fluorider har generelt karakteristiske egenskaber (f.eks. er de vand- og olieafvisende, stærke mod varme og kemikalier og absorberer ikke lys), derfor omfatter deres anvendelser vandafvisende midler, overfladebehandlinger, emulgatorer, brandslukningsmidler og belægninger. Derudover er organiske fluorider kendt for at forårsage unikke kemiske reaktioner, fordi fluoridatomer kraftigt trækker elektroner tilbage. I samarbejde med AGC (en producent af fluorforbindelser og chloroform) har denne forskergruppe været i stand til at foreslå industrielle anvendelser for foto-on-demand syntesemetoden, samt stræbe mod udviklingen af ​​nye funktionelle materialer gennem dens anvendelse.

Forskningsmetodik

Denne forskergruppe har med succes syntetiseret højreaktivt fluoralkylcarbonat ved hjælp af foto-on-demand-syntesemetoden. De bestemte dets reaktivitet ved hjælp af metoder, som omfattede test af reaktionshastigheden og produktudbyttet, når det blev reageret med alkohol og amin (se figur 2 og tabel 1), samt udførelse af analyser ved hjælp af Fourier-transformation infrarød spektroskopi (FT-IR).

Carbonater er en erstatning i en række kemiske reaktioner, der konventionelt kræver ekstremt giftigt fosgen (række 1 i tabel 1). For eksempel anvendes diphenylcarbonat med en aromatisk substituent (se række 7) i polycarbonatsyntese. Imidlertid udviser carbonat med en alkylkæde (række 8) lavere reaktivitet, så det anvendes generelt ikke til sådanne anvendelser. Interessant nok blev det afsløret, at fluoralkylcarbonater (række 2, 3, 4 og 5) udviser højere eller lignende reaktivitet. Det blev bekræftet, at blandt disse fluoralkylcarbonater; alkylcarbonat (række 3) og aromatisk carbonat (række 2), som har flere fluoridatomer, udviser dramatisk øget reaktivitet.

Biproduktet, fluoralkohol, har reduceret affinitet med den producerede organiske forbindelse og et lavt kogepunkt. Derfor er det nemt at fjerne det fra produktet ved at tørre det. Selvom fluoralkoholen forbliver, er den langt mindre giftig og ætsende end biproduktet af syntese ved hjælp af fosgen (som er hydrogenchlorid). Det udviser også de karakteristiske egenskaber af organiske fluorforbindelser, hvilket gør det til et yderst funktionelt kemisk produkt af høj kvalitet.

De oplysninger om fluoralkylcarbonaters reaktivitet og biprodukter, som denne forskning afslørede gennem systemisk analyse, kan bruges som reference. Brugere kan estimere omkostninger (såsom prækursorens købspris og synteseomkostninger) og vælge den carbonatprecursor, der er mest passende for det kemikalie eller produkt, de ønsker at syntetisere.

Yderligere udvikling

Når fosgenmetoden anvendes til fremstilling af polymerer og farmaceutiske mellemprodukter, kan resterne af hydrogenchlorid (HCl) i produktet forårsage korrosion og nedbrydning. Derfor er fjernelse af hydrogenchlorid et industrielt problem. Det er håbet, at fluoralkylcarbonater med deres høje reaktivitet kan tjene som en phosgenerstatning i syntesen af ​​forskellige kemiske produkter. Derudover kan de bruges i elektronikrelaterede områder, da de ikke producerer HCl som et biprodukt.

Syntesen af ​​fluoralkylcarbonat ved hjælp af photo-on-demand-metoden og dens anvendelse til syntese af kemiske produkter forventes at fremme udviklingen af ​​nye funktionelle materialer. Det er også håbet, at det vil føre til betydelige fremskridt inden for kemiske reaktioner med lav energi og lav miljøpåvirkning og bidrage i høj grad til SDG'erne og bestræbelserne på at blive kulstofneutral. + Udforsk yderligere

Ny miljøvenlig syntesemetode bruger aluminiumoxid som en genanvendelig katalysator