Neu zu erfinden wie Chemikalien hergestellt werden

Charlie Heck ist ein Multimedia-Nachrichtenredakteur bei der US National Science Foundation (NSF). Sie trug dieses Artikels, Teil der Baureihe NSF Science Nation Leben Wissenschaft Experten stimmen: Op-Ed & Einblicke.

Kohlenstoff und Wasserstoff sind die Bausteine des Lebens. Jedes Lebewesen auf diesem Planeten – jede Pflanze, jedes Tier — besteht größtenteils aus diese Schlüsselelemente.

Mit Unterstützung von NSF brachten organischer Chemiker Huw Davies und Kollegen an der Emory University zusammen ein All-Star Team, einschließlich Forschung Dozenten und Studierende von Universitäten in den Vereinigten Staaten und der Welt, das Zentrum für selektive C-H Funktionalisierung (CCHF) erstellen. Das Ziel ist einfach: neu zu erfinden, wie Chemikalien hergestellt werden.

Das CCHF entwickeln neue Möglichkeiten, einmal inert Kohlenstoff-Wasserstoff-Verbindungen in organischen Molekülen zu chemisch aktiven Zentren Anfügen neuer molekularer Stücke mit ganz neuen Funktionen machen. Um dieses Ziel zu erreichen, entdeckt das Forscherteam wie Handwerk Roman, selektiv, Katalysatoren zu manipulieren, die Moleküle und die komplexe Modelle entwickeln, die wie Chemiker nutzen die neuen Ansätze führen werden. Letztlich führt die Forschung zu neuen Arzneimitteln, neue Techniken, Materialien und ein neues Verständnis der natürlichen Welt, in einer strafferen und ökologisch nachhaltige Weise vorzubereiten.

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

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

Huw Davies: Das erste, was viele Leute denken, wenn Sie sprechen über die organische Chemie ist die "Bio" Label, das in Lebensmitteln und Kosmetika verputzt ist. Das ist keine organische Chemie. Der Name Bio hat seinen Ursprung in der Forschung, der Blick auf die Chemie der Lebewesen, vor mehr als 100 Jahren geschah sowohl Tiere als auch Pflanzen. Als Wissenschaftler kamen, um diese Prozesse besser zu verstehen, erweitert den Anwendungsbereich dieses Feldes. Heute befasst sich die organische Chemie mit Verbindungen, die basiert in erster Linie auf die Elemente Kohlenstoff und Wasserstoff, aber auch enthalten Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Phosphor, Natrium und Kalium. Dieser kleine Teilmenge von Elementen, einen Bruchteil des Periodensystems, zusammen mit einer Prise von ein paar andere, viel der modernen Wissenschaft zugrunde liegt – von molekularen Sonden, die biologische Prozesse, pharmazeutische Wirkstoffe, um dünne Schichten zuordnen, die die Displays im Großbild-Monitore und Smartphones bieten.

NSF: Aufbau von organische Molekülen?

H.D.: Kohlenwasserstoffe sind eine der grundlegendsten Klassen organischer Moleküle. In diesen Molekülen bildet jedes Kohlenstoffatom vier Bindungen zu anderen Atomen Kohlenstoff oder Wasserstoff. (Eine Bindung steht für den Austausch von Elektronen zwischen zwei Atomen effektiv der "Klebstoff", die hält die Atome zusammen eine Molekül zu bilden.) Eine "funktionelle Gruppe" ersetzt eine oder mehrere der Wasserstoffatome durch ein anderes Atom oder Gruppe von Atomen, wie Sauerstoff, Stickstoff oder Schwefel. Einige allgemeine funktionelle Gruppen enthalten Amine, Alkohole und Säuren [und sie erfüllen eine bestimmte Funktion]. Im Vergleich zu Kohlenstoff und Wasserstoff-Atomen, sind diese funktionellen Gruppen viel reaktiver, d.h. sie können entweder Spenden oder akzeptieren von Elektronen innerhalb des gleichen Moleküls oder von einem anderen Molekül, wodurch die Bildung und/oder brechen des neuen Anleihen. Diese Reaktionen zwischen den funktionellen Gruppen werden verwendet, um kleine und einfache Moleküle, um große komplexe Moleküle, die in Arzneimitteln oder Materialwissenschaft benötigt bauen miteinander zu verbinden.

NSF: Was ist das Feld der C-H-Funktionalisierung und was einige der Auswirkungen könnte es haben?

H.D. : C-H-Funktionalisierung verändert völlig die herkömmliche Logik der organischen Chemie. Es beschreibt eine neue Art der Zusammenstellung von organischer Moleküls, die die Abhängigkeit von funktionellen Gruppen entfernt. Traditionell, eine neue Bindung zwischen zwei Molekülen, die neuen Formen der Bindung zwischen zwei funktionelle Gruppen zu machen. Eine oder beide dieser Gruppen wird während dieses Prozesses, die Abfallstoffe in chemischen Reaktionen generiert aus dem Molekül entfernt. In C-H-Funktionalisierung kann der neue Bond zwischen einfachen, allgegenwärtige C-H-Bindungen bilden. Dies hat eine Reihe von erheblichen Vorteilen. Es ist deutlich weniger Abfall erzeugten, funktionelle Gruppen haben nicht vorgenommen werden, bevor die Reaktion stattfinden kann und neuartige, bisher unzugängliche, Methoden für die Umsetzung neuer Moleküle zusammen sind jetzt möglich.

NSF: Was sind einige der alteingesessenen Labor Methoden, die diese neue Forschung zu beseitigen könnte?

H.D.: C-H-Funktionalisierung hat das Potenzial, im großen und ganzen organische Chemie auswirken. Ein besonders effektives Beispiel ist eine chemische Technologie namens "Kreuz-Kupplung," die Verbindung von zwei Benzol-Derivaten durch den Einsatz eines Metalls zusammen. Beispielsweise eine Metall wie Palladium oder Kupfer verwenden, man kann beschleunigen die Verbindung von zwei Benzol-Derivate, die Halogen funktionelle Gruppen enthalten. Die Erfinder dieser Technologie wurden im Jahr 2010 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet und hatte einen enormen Einfluss auf die pharmazeutischen Welt. Die Entdeckung eine einfache Technik, um zwei Benzol Derivate effizient miteinander zu verbinden trieb die Entwicklung von vielen neuen Arzneimitteln, ein Fall, wo die Mittel Ende definiert. Vor dieser Arbeit, das Zusammenfügen von zwei solche Moleküle erforderlich rauen Reaktionsbedingungen, mit Temperaturen über 100 ° c und verlängerte Reaktionszeiten, so dass sie nicht geeignet für industrielle Anwendungen. C-H-Funktionalisierung kann die gleiche Transformation als Kreuz-Kupplung, auf optimierte Weise erzeugen weniger Abfall und erfordern weniger gefährlichen Reagenzien erreichen.

Dies ist nur eine von vielen Veränderungen, die C-H-Funktionalisierung das Potenzial hat, zu revolutionieren. Konzeptionell, hat C-H-Funktionalisierung das Potenzial, alle der derzeit geschehen, die reaktive Natur von funktionellen Gruppen, aber mit C-H-Bindungen als die Reaktionspartner Reaktionen durchführen. Im Wesentlichen bietet Zugang zu allen organischen Gerüste in einem stromlinienförmigen und ökologisch nachhaltige Mode.

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

H.D.: Das Kernkonzept, das C-H-Funktionalisierung möglich macht ist eine selektive Katalyse. Ein Katalysator ist ein Material, das zu einer Reaktion, die beschleunigt hinzugefügt wird, aber wird nicht in der Umwandlung verbraucht und steht somit zu gehen, um die gleiche Transformation mehrmals durchführen. Katalysatoren können außerordentlich nachhaltig sein, weil sie weniger gefährliche Abfallprodukte bilden können, und weil sie nicht verschwinden, in sehr geringen Mengen verwendet werden können. Unser Center entwickelte einen Katalysator, der 1 Million Umsätze tun kann was bedeutet, dass für jeden 1 Million neue Moleküle gemacht, nur 1 Molekül des Katalysators erforderlich ist.

NSF: Was die landwirtschaftliche Folgen für diese Forschung sind?

H.D.: Die Mehrheit der Agrochemikalien, verwendet, um entweder Wachstum oder Kontrolle Pflanzenschädlinge, modulieren sind organische Moleküle. Die Entwicklung von C-H-Funktionalisierung hat das Potenzial, nicht nur die Synthese solcher Verbindungen zu optimieren, sondern enthüllen auch effiziente Routen an neuartigen Agenten, die diese Ebenen der Kontrolle, bieten die derzeit entweder wissenschaftlich oder kommerziell nicht zugegriffen werden.

NSF: Warum ist das Zentrum für ein Team von Menschen aus den unterschiedlichsten Bereichen erforderlich?

H.D. : Herausforderungen für die bringen C-H-Funktionalisierung in den Mainstream der organischen Chemie sind über die Kapazität eines einzelnen Forschers. Das Center verbindet 15 akademischen Institutionen, darunter 23 Mitglieder des Lehrkörpers und mehr als 75 graduate Forscher. Wir bringen zusammen Feld Führer aus über die chemischen Wissenschaften wie synthetische organische Chemie, anorganische Chemie, theoretische Chemie, physikalisch-organische Chemie, Pharmazie, Materialwissenschaften und Chemieingenieurwesen. Unsere Arbeit bietet ein Maß an Einsicht und Details, die nur möglich ist, wenn Sie diese Art von Netzwerk haben.

NSF: Was die nächsten Schritte bei Ihrer Recherche?

H.D.: Das ultimative Ziel der CCHF, C-H-Funktionalisierung in den Mainstream der organischen Chemie zu bringen, ermöglicht Peers in der wissenschaftlichen Gemeinschaft, diese Technologie, Anwendung auf die Synthese von pharmazeutischen Wirkstoffen, benutze es synthetisieren Materialien. Dies wird erreicht durch wegweisende Katalysator Design, Entwicklung von neuen Transformationen und ein tiefes Verständnis für diese Chemie.

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