Neu erfinden, wie Chemikalien hergestellt werden

Charlie Heck ist Multimedia-Nachrichtenredakteur bei der US National Science Foundation (NSF). Sie hat diesen Artikel, Teil der NSF Science Nation-Reihe, zu Live Science beigetragen Experten-Stimmen: Op-Ed & Insights.

Kohlenstoff und Wasserstoff sind die Bausteine ‚Äč‚Äčdes Lebens. Jedes Lebewesen auf diesem Planeten - jede Pflanze, jedes Tier - besteht hauptsächlich aus diesen Schlüsselelementen.

Mit Unterstützung von NSF haben der Organiker Huw Davies und seine Kollegen an der Emory University ein All-Star-Team aus Forschungseinrichtungen und Studenten von Universitäten in den USA und der ganzen Welt zusammengebracht, um das Zentrum für selektive CH-Funktionalisierung (CCHF) zu gründen. Das Ziel ist einfach: Erneut erfinden, wie Chemikalien hergestellt werden.

Das CCHF wird neue Wege entwickeln, um die einst inerten Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen in organischen Molekülen in chemisch aktive Zentren zu verwandeln, um neue molekulare Stücke mit völlig neuen Funktionen zu verbinden. Um dieses Ziel zu erreichen, erforscht das Forscherteam, wie neuartige, selektive Katalysatoren hergestellt werden können, um die Moleküle zu manipulieren und komplexe Modelle zu entwickeln, die den Weg weisen, wie Chemiker die neuen Ansätze anwenden. Letztendlich wird die Forschung zu neuen Pharmazeutika, neuen Techniken zur Vorbereitung von Materialien und einem neuen Verständnis der natürlichen Welt führen, auf eine stromlinienförmigere und ökologisch nachhaltige Art und Weise.

Im Folgenden bietet Davies eine Q + A mit Kontext für die Forschung und das Zentrum.

NSF: Wie unterscheidet sich die organische Chemie von der allgemeinen Chemie, mit der die meisten Menschen vertraut sind?

Huw Davies: Das erste, woran viele Leute denken, wenn Sie über organische Chemie sprechen, ist das "organische" Etikett, das überall in Lebensmitteln und Kosmetika eingeputzt wird. Das ist keine organische Chemie. Der Name Organic hat seinen Ursprung in der Forschung, die vor mehr als 100 Jahren mit der Chemie von Lebewesen, sowohl Tieren als auch Pflanzen, durchgeführt wurde. Als die Wissenschaftler diese Prozesse besser verstanden, erweiterte sich der Anwendungsbereich dieses Bereichs. Heute befasst sich die organische Chemie mit Verbindungen, die hauptsächlich auf den Elementen Kohlenstoff und Wasserstoff basieren, aber auch Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Phosphor, Natrium und Kalium enthalten. Diese kleine Untergruppe von Elementen, ein Bruchteil des Periodensystems, zusammen mit einigen wenigen anderen, untermauert einen Großteil der modernen Wissenschaft - von molekularen Sonden, die biologische Prozesse abbilden, über pharmazeutische Wirkstoffe bis hin zu dünnen Filmen, die die Displays auf Großbildschirmen darstellen Monitore und Smartphones.

NSF: Wie werden organische Moleküle aufgebaut?

H.D .: Kohlenwasserstoffe stellen eine der grundlegendsten Klassen organischer Moleküle dar. In diesen Molekülen bildet jedes Kohlenstoffatom vier Bindungen zu anderen Kohlenstoff- oder Wasserstoffatomen. (Eine Bindung stellt die Teilung von Elektronen zwischen zwei Atomen dar, effektiv der "Klebstoff", der die Atome zusammenhält, um ein Molekül zu bilden.) Eine "funktionelle Gruppe" ersetzt eines oder mehrere der Wasserstoffatome durch ein anderes Atom oder eine andere Gruppe von Atomen wie Sauerstoff, Stickstoff oder Schwefel. Einige übliche funktionelle Gruppen umfassen Alkohole, Amine und Säuren [und sie erfüllen eine spezifische Funktion]. Im Vergleich zu den Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen sind diese funktionellen Gruppen viel reaktiver, was bedeutet, dass sie Elektronen entweder innerhalb des gleichen Moleküls oder von einem anderen Molekül abgeben oder annehmen können, was zur Bildung und / oder zum Brechen neuer Bindungen führt. Diese Reaktionen zwischen funktionellen Gruppen werden verwendet, um kleine und einfache Moleküle zu verbinden, um die großen komplexen Moleküle zu bilden, die in der Pharmazie oder Materialwissenschaft benötigt werden.

NSF: Was ist der Bereich der CH-Funktionalisierung und welche Auswirkungen könnte er haben?

H. D.: Die CH-Funktionalisierung verändert die konventionelle Logik der organischen Chemie vollständig. Es beschreibt eine neue Art organische Moleküle zusammenzufügen, die die Abhängigkeit von funktionellen Gruppen aufhebt. Um eine neue Bindung zwischen zwei Molekülen herzustellen, bildet sich die neue Bindung zwischen zwei funktionellen Gruppen. Eine oder beide dieser Gruppen werden während dieses Prozesses aus dem Molekül entfernt, wodurch bei chemischen Reaktionen Abfallprodukte entstehen. Bei der CH-Funktionalisierung kann sich die neue Bindung zwischen einfachen, allgegenwärtigen CH-Bindungen bilden. Dies hat eine Reihe von wesentlichen Vorteilen; es wird deutlich weniger Abfall erzeugt, funktionelle Gruppen müssen nicht hergestellt werden, bevor die Reaktion stattfinden kann, und neue, bisher unzugängliche Methoden zum Zusammensetzen neuer Moleküle sind nun möglich.

NSF: Was sind einige der seit langem etablierten Labormethoden, die diese neue Forschung beseitigen könnte?

H. D.: Die CH-Funktionalisierung hat das Potenzial, die organische Chemie umfassend zu beeinflussen. Ein besonders wirksames Beispiel ist eine chemische Technologie, die als "Kreuzkupplung" bezeichnet wird, bei der zwei Benzolderivate unter Verwendung eines Metalls miteinander verbunden werden. Zum Beispiel kann unter Verwendung eines Metalls wie Palladium oder Kupfer das Zusammenfügen von zwei Benzolderivaten, die halogenfunktionelle Gruppen enthalten, beschleunigt werden. Die Erfinder dieser Technologie erhielten 2010 den Nobelpreis und hatten großen Einfluss auf die pharmazeutische Welt. Die Entdeckung einer einfachen Technik, um zwei Benzolderivate effizient miteinander zu verbinden, trieb die Entwicklung vieler neuer Pharmazeutika voran, ein Fall, in dem die Mittel das Ende definierten. Vor dieser Arbeit erforderte das Zusammenfügen zweier solcher Moleküle harte Reaktionsbedingungen mit Temperaturen über 100 ° C und verlängerte Reaktionszeiten, was sie für industrielle Anwendungen ungeeignet macht. Die CH-Funktionalisierung kann die gleiche Transformation wie die Kreuzkupplung in einer gestrafften Weise erreichen, wobei weniger Abfall erzeugt wird und weniger gefährliche Reagenzien benötigt werden.

Dies ist nur eine von vielen Transformationen, die die CH-Funktionalisierung revolutionieren könnte.Konzeptionell hat die CH-Funktionalisierung das Potenzial, alle derzeit durchgeführten Reaktionen unter Verwendung der reaktiven Natur funktioneller Gruppen durchzuführen, wobei jedoch CH-Bindungen als Reaktionspartner eingesetzt werden. Im Wesentlichen Zugang zu allen organischen Gerüsten in einer gestrafften und ökologisch nachhaltigen Art und Weise.

NSF: Wie könnte diese Forschung zu saubereren und nachhaltigeren Initiativen in der chemischen Welt führen?

H. D.: Das Kernkonzept, das eine CH-Funktionalisierung ermöglicht, ist eine selektive Katalyse. Ein Katalysator ist ein Material, das zu einer Reaktion hinzugefügt wird, die es beschleunigt, aber bei der Transformation nicht verbraucht wird, und somit verfügbar ist, um die gleiche Transformation viele Male durchzuführen. Katalysatoren können außergewöhnlich nachhaltig sein, weil sie weniger gefährliche Abfallprodukte bilden können und weil sie nicht verschwinden, können sie in sehr kleinen Mengen verwendet werden. Unser Zentrum hat einen Katalysator entwickelt, der 1 Million Umsätze machen kann, was bedeutet, dass für jede 1 Million neue Moleküle nur ein Molekül des Katalysators benötigt wird.

NSF: Welche Auswirkungen hat die Landwirtschaft auf diese Forschung?

H. D.: Die Mehrheit der Agrochemikalien, die entweder das Pflanzenwachstum modulieren oder Schädlinge bekämpfen, sind organische Moleküle. Die Entwicklung der CH-Funktionalisierung hat das Potenzial, nicht nur die Synthese solcher Verbindungen zu rationalisieren, sondern auch effiziente Wege zu neuen Wirkstoffen aufzuzeigen, die diese Kontrollebenen bieten, die derzeit entweder wissenschaftlich oder kommerziell unzugänglich sind.

NSF: Warum benötigt das Zentrum ein Team von Personen aus so vielen verschiedenen Bereichen?

H. D.: Die Herausforderungen, vor denen die CH-Funktionalisierung in den Mainstream der organischen Chemie gestellt wird, übersteigen die Möglichkeiten eines einzelnen Forschers. Das Zentrum verbindet 15 akademische Einrichtungen, darunter 23 Fakultätsmitglieder und mehr als 75 Graduierte. Wir bringen Feldleiter aus den Bereichen Chemie, Anorganische Chemie, Theoretische Chemie, Physikalische Organische Chemie, Pharmazeutische Wissenschaften, Materialwissenschaften und Chemieingenieurwesen zusammen. Unsere Arbeit bietet einen Einblick und Details, die nur möglich sind, wenn Sie diese Art von kollaborativem Netzwerk haben.

NSF: Was sind die nächsten Schritte in Ihrer Forschung?

H. D.: Das ultimative Ziel des CCHF ist es, die C-H-Funktionalisierung in den Mainstream der organischen Chemie einzubringen, um es Peers in der wissenschaftlichen Gemeinschaft zu ermöglichen, diese Technologie zu verwenden, um sie für die Synthese von pharmazeutischen Wirkstoffen zu verwenden und Materialien zu synthetisieren. Dies wird durch bahnbrechendes Katalysatordesign, die Entwicklung neuer Transformationen und ein tiefes Verständnis dieser Chemie erreicht.

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