Dr. Petri Turhanen werkte aan een synthese van een gemodificeerde versie van het biologische molecuul adenosinetrifosfaat (ATP), toen hij ontdekte dat de kationenuitwisselingshars die hij gebruikte onbedoeld een ander molecuul produceerde. Nader onderzoek wees uit dat het molecuul gejodeerd was, wat betekent dat er een jodiumatoom was toegevoegd. Deze specifieke reactie is een uitdaging om uit te voeren met behulp van de huidige synthesetechnieken, die vaak afhankelijk zijn van giftige en gevaarlijke chemicaliën en ruwe reactieomstandigheden.

Terwijl een milieucrisis opdoemt, het verminderen van onze impact op de planeet wordt relevanter dan ooit. U kunt geruststelling vinden in het maken van bewuste keuzes in uw levensstijl, maar voor velen is er een moeilijk te negeren probleem:hoe zit het met het minder zichtbare gebruik van middelen? Hoe zit het met het afval en het transport dat plaatsvindt op industrieel niveau - die processen die ons voorzien van medicijnen, cosmetica en andere producten?

Het beheersen van de milieu-impact van deze processen valt vaak onder de noemer 'groene chemie, " het concept van het ontwerpen van chemische processen met een minimale impact op het milieu. De vraag naar technologische oplossingen neemt toe, en de hoop is dat wij mensen onze afhankelijkheid van schadelijke en niet-hernieuwbare hulpbronnen kunnen verminderen, en gevaarlijke bijproducten van de industrie te beperken, terwijl we onze huidige kwaliteit van leven behouden of verbeteren.

De koolstoffen verbinden

Veel van de organische chemie - het bouwen van op koolstof gebaseerde moleculen - betreft het creëren van bindingen tussen koolstof en andere atomen, zoals stikstof, zuurstof, boor, zwavel, fosfor of een tweede koolstof. Het verbinden van deze atomen is de heilige graal van de organische chemie, omdat het scheikundigen in staat stelt verschillende soorten organische verbindingen op te bouwen. Omdat het leven 'op koolstof gebaseerd is, " veel van de belangrijkste medicijnen zijn ook op koolstof gebaseerd, organische moleculen.

Maar het creëren van deze banden is niet altijd eenvoudig. Moleculen die koolstof-jodium (C-I) bindingen bevatten, worden vaak gebruikt als intermediaire moleculen, als een steiger die het synthetiseren van grotere organische moleculen mogelijk maakt. Dit komt omdat niet alleen C-I-bindingen relatief eenvoudig te vormen zijn, maar jodium is ook vrij eenvoudig te vervangen door een ander atoom.

Deze 'gejodeerde' verbindingen kunnen ook voor meer worden gebruikt dan alleen het vereenvoudigen van de synthese. Jodium heeft belangrijke isomeren, Leuk vinden ¹²³ L, ¹²⁴ ik en ¹²⁵ L, die radioactief zijn. Radioactieve gejodeerde organische moleculen worden gebruikt in gezondheidstoepassingen zoals positronemissietomografie (PET-scanning), kankertherapie en diagnostiek. Maar de chemische reacties die op industrieel niveau worden uitgevoerd om deze belangrijke gejodeerde verbindingen te maken, gebruiken vaak giftige uitgangsmaterialen, schadelijke oplosmiddelen en zelfs zware metalen als katalysatoren.

Methoden van joderen

De traditionele methoden voor het joderen van moleculen kunnen I2 gebruiken als een bron van jodide, en voor sommige reacties werkt dit heel goed. Echter, voor reacties die een hogere temperatuur vereisen, er is een probleem. Met heel weinig warmte, jodium kan subliem zijn, wat betekent dat het rechtstreeks van de vaste toestand naar een gas gaat.

Voor sommige verbindingen andere methoden zijn nodig om succesvol te joderen. Maar deze methoden kunnen nauwelijks als milieuvriendelijk worden beschouwd:ze bevatten gevaarlijke reactanten zoals waterstofperoxide, trimethylsulfoniumjodaat en jodiummonochloride, en oplosmiddelen zoals dichloormethaan, dioxaan en tetrahydrofuran - verbindingen die schadelijk zijn, indien niet giftig, kankerverwekkend, milieubelastend of explosief.

Onverwachte ontdekking

Dit is waar Dr. Petri Turhanen, onderzoeker aan de Universiteit van Oost-Finland, een onverwachte ontdekking gedaan. Bij het ontwikkelen van een syntheseroute voor een derivaat van ATP, een belangrijk molecuul in cellen, zijn onderzoeksgroep ontdekte dat er onder hun beoogde product een ander product was dat ze niet verwachtten. Het uitvoeren van NMR-tests op deze verbinding bevestigde zijn identiteit. Waar het uitgangsmateriaal een dubbele binding had tussen twee koolstofatomen, dit molecuul had een enkele binding, en een extra atoom op beide koolstoffen - een waterstof en een jodium.

Toevoegingsreacties

Dit type reactie - het verbreken van een dubbele koolstofbinding om twee atomen toe te voegen - staat bekend als een additiereactie. Er zijn een paar methoden om toevoeging van waterstof en jodium over dubbele koolstofbindingen uit te voeren, mits de dubbele binding deel uitmaakt van een langere keten. Maar deze specifieke additiereactie, van waterstof en jodium over een dubbele koolstofbinding aan het einde van een keten, komt in de literatuur zeer weinig voor. Dus waarom was deze synthese nooit eerder gevonden?

Een deel van het antwoord ligt in de specifieke materialen die worden gebruikt om deze reactie te voltooien. De groep van Dr. Turhanen gebruikte een stof die bij velen bekend staat als Dowex, een vaste hars gemaakt van het chemische polystyreensulfonaat. Dowex is een kationenuitwisselingshars, wat betekent dat de hars positieve ionen 'opslaat', die het kan ruilen voor andere positieve ionen. Een voorbeeld van het gebruik van dit materiaal is bij waterontharding, waar hard water door de natriumvorm van Dowex wordt geleid. De hars absorbeert de calcium- en magnesiumionen, natriumionen afgeven aan het water. En omdat het gebruik van Dowex zo specifiek is, dit is de eerste keer dat het is gebruikt om dit soort additiereacties uit te voeren.

De beste jodidebron kiezen

Sinds de ontdekking van dit onconventionele gebruik van Dowex, Turhanen en zijn team hebben systematisch zoveel mogelijk variaties op deze reactie onderzocht. Ze hebben de jodiden van kalium getest, rubidium, nikkel, ammonium, mangaan en antimoon, maar de beste opbrengsten worden typisch bereikt met gebruikmaking van het gemakkelijk verkrijgbare natriumjodide.

Eerste testen

aanvankelijk, Turhanen en zijn team hebben meer dan 50 reactietypes getest, het vinden van veel nieuwe methoden om jodiumbevattende moleculen te produceren die veel verder gaan dan de toevoeging van waterstof en jodium over een dubbele koolstof-koolstofbinding.

Met behulp van de methode van Turhanen, de hele reactie kan plaatsvinden als een 'one-pot, "met beperkte stappen, minder afval en beperkte reagentia.

Een van de eerste reacties die Turhanen ontdekte, was de ringopeningsreactie van cyclische ethers (ringen van koolstof waarbij één atoom een ​​zuurstof is), wat voorheen onmogelijk was voor sommige specifieke cyclische ethermoleculen. Bij deze reactie ontstaan ​​moleculen die bekend staan ​​als joodalkanolen, die aan het ene uiteinde een alcoholgroep (OH) en aan het andere uiteinde een jodiumatoom bevatten. Joodalkanolen zijn waardevolle moleculen in de organische synthese, maar worden gewoonlijk gemaakt met behulp van reagentia, die schadelijk kunnen zijn voor het milieu. Met behulp van een kationenuitwisselingshars en natriumjodide, De methode van Turhanen is veel milieuvriendelijker. Sommige cyclische ethers zijn bijzonder moeilijk te openen, zoals 1, 4-dioxaan, waarvan de opening tot nu toe niet is gemeld. Voor de meeste reacties tot nu toe zijn giftige stoffen nodig, zoals bariumtrifluoride. Met de nieuwe methode is dat niet meer nodig.

Di-jodiden

Recenter, Turhanen heeft het vermogen van Dowex en natriumjodide gerapporteerd om ethynen - moleculen met een drievoudige koolstof-koolstofbinding - om te zetten in di-jodiden, het toevoegen van een jodiumatoom aan beide ethyn-koolstofatomen. Het testen van 12 gemakkelijk verkrijgbare ethynmoleculen toonde aan dat dit proces veelzijdig is en opbrengsten tot 78% oplevert. Veel van de geproduceerde verbindingen zijn slechts een paar keer eerder in de literatuur vermeld, en twee van hen waren voorheen volledig onbekend.

verestering

Tijdens het spelen met de parameters voor deze reacties, Turhanen en zijn onderzoeksgroep stuitten op een andere leuke ontdekking:terwijl ze alcoholen als oplosmiddel gebruikten met carbonzuren, er werden wat meer onverwacht milde reactieomstandigheden gevonden om esters te creëren. Esters zijn verbindingen die een smaak maken, bijvoorbeeld, appel. Deze reacties zijn geenszins nieuw in de chemie, maar het zijn belangrijke ontwikkelingsgebieden in de groene chemie, omdat de methylesters van vetzuren het hoofdbestanddeel van biodiesel zijn. Verestering vindt doorgaans plaats bij temperaturen tot 100 °C in de loop van enkele uren of zelfs dagen. Dowex gebruiken, Turhanen is erin geslaagd om enkele vrije vetzuren in slechts 15 minuten bij kamertemperatuur te veresteren, met een rendement van 99%. Dit uitbreiden naar een realistischer scenario voor het maken van biodiesel, Turhanen nam monsters van gebruikte frituurolie van lokale restaurants en zette deze om in biodiesel, met een zuiverheid van meer dan 95%.

Een vergelijkbare reactie stelt de groep in staat om onder milde omstandigheden esters te maken van alcoholen en carbonzuren. Natuurlijke aminozuren kunnen worden veresterd zonder aminogroepbescherming. Bepaalde soorten ethers kunnen ook met de methode worden bereid. Een van de meest opwindende toepassingen hiervan is de selectieve verethering van een van de alcoholgroepen in glucose. De traditionele methode voor het uitvoeren van deze reactie is een meerstapsproces waarbij gebruik wordt gemaakt van omvangrijke 'beschermende' groepen die alleen het gewenste deel van het glucosemolecuul laten reageren. Met behulp van de methode van Turhanen, de hele reactie kan plaatsvinden als een 'one-pot, "met beperkte stappen, minder afval en beperkte reagentia.

Groene chemie

De eigenschap van kationenuitwisselingsharsen die naast natriumjodide worden gebruikt om in zoveel reacties als reagens of katalysator te functioneren, maakt dit een waardevol hulpmiddel voor organische synthese, vooral omdat sommige reacties nooit eerder mogelijk waren.

Een van de meest opwindende aspecten van deze ontdekking is de impact die het zal hebben op de manier waarop sommige organische chemicaliën worden gesynthetiseerd. In een tijdperk waarin groene chemie een noodzakelijk onderdeel is van het in stand houden van de wereldwijde welvaart, deze methode kan veel van de meer milieubelastende reactieomstandigheden vervangen. Waar schadelijke reagentia, van oudsher worden oplosmiddelen en katalysatoren gebruikt, organische chemici kunnen nu kiezen voor de eenvoudige, groen oplosmiddel 2-propanol; in plaats van complexe reacties in meerdere stappen, sommige synthetische routes zijn nu mogelijk met een 'one pot'-methode; en waar momenteel giftige katalysatoren voor zware metalen worden gebruikt, een herbruikbare hars kan net zo effectief zijn, zelfs bij lagere temperaturen.

Persoonlijk antwoord

Van de mogelijke toepassingen van deze nieuwe reactieomstandigheden, wat vind je het spannendst?

"Eerst, de meest opwindende toepassing was het gemak van de synthese van biodiesel uit gebruikte frituurolie. Werkelijk, naar mijn weten is de methode die we hebben gevonden de enige die ook werkt voor gedeeltelijk gehydrolyseerde frituurolie zonder zeep te vormen, zoals de huidige industriële methoden die worden gebruikt om biodiesel te produceren. Tweede, Dowex is in de meeste gevallen herbruikbaar, zoals bij verestering, en hoeft zelfs niet opnieuw te worden geactiveerd of geregenereerd, wat de methode 'groen' maakt. het gebruik van de methode opent nieuwe reacties, zoals die we hebben laten zien, bijvoorbeeld, voor het eerst de 1, 4-dioxaan naar I(CH ₂ ) ₂ O(CH ₂ ) ₂ OH, een belangrijke voorloper van de polyglycolsynthese. En er komen er nog meer."