Een team van onderzoekers heeft een snellere en gemakkelijkere manier ontwikkeld om zwavelhoudende polymeren te maken die de kosten van grootschalige productie zullen verlagen.

de prestatie, gepubliceerd in Natuurchemie en Angewandte Chemie , opent de deur naar het creëren van nieuwe producten van deze klasse polymeren en produceert veel minder gevaarlijk afval. De reactietechniek van de onderzoekers, genaamd SuFEx voor zwavel (VI) fluoride-uitwisseling, gecombineerd met een nieuw geïdentificeerde klasse van katalysatoren die de reacties versnellen, kan worden gebruikt om alles te maken, van waterflessen en hoesjes voor mobiele telefoons tot medische apparaten en kogelvrij glas.

Wanneer een bruikbaar molecuul wordt ontdekt, er zijn maar weinig reacties die chemici kunnen gebruiken die eenvoudig en efficiënt genoeg zijn om te voldoen aan de industriële productie-eisen voor kosteneffectieve opschaling. In 2001, Nobelprijswinnaar K. Barry Sharpless introduceerde een nieuw concept in de organische chemie, bekend als "klikchemie, " het beschrijven van een suite van controleerbare, zeer reactieve reacties die een hoge opbrengst hebben en weinig tot geen zuivering vereisen.

Naar het voorbeeld van de natuur, klikreacties volgen eenvoudige protocollen, gebruik gemakkelijk verkrijgbare uitgangsmaterialen, en werk onder milde reactieomstandigheden met goedaardige startreagentia. Click-chemie is een waardevol hulpmiddel geworden voor het genereren van grote bibliotheken van potentieel bruikbare verbindingen terwijl industrieën nieuwe medicijnen en materialen willen ontdekken.

Wetenschappers van de Molecular Foundry van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), een faciliteit die gespecialiseerd is in wetenschap op nanoschaal, werkte met een team onder leiding van Sharpless en Peng Wu, professoren aan het Scripps Research Institute (TSRI). Het team creëerde lange ketens van gekoppelde zwavelhoudende moleculen, genaamd polysulfaten en polysulfonaten, met behulp van een SuFEx-klikreactie.

"Klikchemie is een krachtig hulpmiddel voor het ontdekken van materialen, maar synthetische chemici zijn vaak niet goed toegerust om de polymeren die ze maken te karakteriseren, " zei Yi Liu, directeur van de Organic Synthesis-faciliteit bij de Molecular Foundry. "We kunnen een breed spectrum aan expertise en instrumentatie bieden die de reikwijdte en impact van hun onderzoek kan vergroten."

De SuFEx-reactie, geïntroduceerd als een nieuwe familie van klikreacties in 2014, creëert betrouwbaar en snel nieuwe chemische bindingen, verbindingen met sulfaten of sulfonaten verbinden. Hoewel polysulfaten een groot potentieel hebben getoond als concurrenten van polycarbonaten (sterke kunststoffen die worden gebruikt voor brillenglazen en waterflessen, bijvoorbeeld), ze zijn zelden gebruikt voor industriële toepassingen vanwege een gebrek aan betrouwbare en gemakkelijk schaalbare synthetische processen.

Om de uitdagingen van massaproductie van polysulfaten en polysulfonaten te overwinnen, het TSRI-team onderzocht verschillende katalysatoren en startreagentia om de SuFEx-reactie te optimaliseren. Ze vertrouwden op hun medewerkers bij de Molecular Foundry om de fysieke eigenschappen te beoordelen en te bepalen of de nieuw gecreëerde polymeren thermisch stabiele producten waren.

Polymeren zijn samengesteld uit kleinere moleculen - zoals het rijgen van een herhalend patroon van kralen aan een ketting. Bij het maken van een polysulfonaat "ketting" met SuFEx, de onderzoekers identificeerden etheensulfonylfluoride-amine/aniline en bisfenolether als goede "parels" om te gebruiken en ontdekten dat het gebruik van bifluoridezout als katalysator de voorheen langzame reactie in actie "klikte". Onderzoekers ontdekten dat de hoge efficiëntie van de reactie resulteert in een opmerkelijke conversie van 99 procent, van startende reactanten tot producten, in minder dan een uur.

Onderzoekers ontdekten dat de nieuwe reactie 100 tot 1 vereist 000 keer minder katalysator dan andere bekende methoden, resulterend in aanzienlijk minder gevaarlijk afval. Bifluoridezouten zijn ook veel minder corrosief dan eerder gebruikte katalysatoren, waardoor een breder scala aan uitgangssubstraat "kralen, " waarvan onderzoekers zeiden dat ze zouden kunnen leiden tot de acceptatie ervan voor een reeks industriële processen.

"Er zijn veel nieuwe polymeren die nog niet eerder door de industrie zijn gebruikt, " zei Liu. "Door afval te verminderen en de productzuiverheid te verbeteren, we verlagen de kosten en maken deze reactie veel industrievriendelijker."

The Molecular Foundry is een DOE Office of Science User Facility die gratis toegang biedt tot ultramoderne apparatuur en multidisciplinaire expertise in nanoschaalwetenschap aan bezoekende wetenschappers van over de hele wereld.