Độ chính xác nguyên tử trong việc tạo ra các phân tử phức tạp

Độ chính xác nguyên tử trong việc tạo ra các phân tử phức tạp

Maxim Abaev,
Ứng viên khoa học hóa học
"Khoa học và Đời sống" №4, 2016

Độ chính xác nguyên tử là gì? Các nhà vật lí có lẽ sẽ nói rằng đây là trường hợp khi mỗi nguyên tử cụ thể là quan trọng cho một thí nghiệm. Ví dụ, bằng cách sử dụng một kính hiển vi lực nguyên tử, người ta không chỉ có thể nhìn thấy các phân tử riêng lẻ và thậm chí cả các nguyên tử trên bề mặt vật liệu, mà còn có thể di chuyển chúng riêng lẻ. Các nhà nghiên cứu từ một phòng thí nghiệm thậm chí còn làm một phim hoạt hình, được vẽ bởi các phân tử thực sự. Tất nhiên, các công nghệ như vậy không được tạo ra để tham gia vào phép nhân nguyên tử – thao tác của các nguyên tử đơn lẻ cho phép bạn tạo ra phương tiện lưu trữ với dung lượng không thể tưởng tượng được.

Khung từ phim hoạt hình Một cậu bé và nguyên tử của mìnhđược vẽ bởi các nguyên tử bằng kính hiển vi lực nguyên tử. Hình minh họa: IBM

Thực tế là nhân loại sớm hay muộn sẽ học cách đối phó với các nguyên tử và phân tử riêng lẻ, đã nói vào giữa thế kỷ trước, nhà vật lí nổi tiếng Richard Feynman. Cụm từ tiên tri của ông: "Có rất nhiều không gian ở dưới đó" – thực sự trở thành phương châm theo đó các công nghệ nano hiện đại được phát triển. Tuy nhiên, có một vấn đề nhỏ.Vâng, chúng tôi đã học cách thao túng vật chất ở cấp độ nguyên tử, tuy nhiên, theo cách này, vẫn không thể tạo ra vật chất trong bất kỳ số lượng đáng kể nào. Để nhận ra quy mô phân chia thế giới nano và thế giới thực, bạn có thể lấy một cây bút và viết trên tờ một số với hai mươi lăm số không – cũng giống như nhiều phân tử nằm trong một cốc nước thông thường. Do đó, nếu bạn muốn "di chuyển" các nguyên tử với số lượng hữu hình, thì các phương pháp vật lý hiện tại sẽ không giúp đỡ ở đây – quá đắt và quá dài. Vì vậy, trong vấn đề lắp ráp phân tử "khối lượng", hóa học vẫn tiếp tục thống trị. Đúng, hóa học hữu cơ hiện đại đã rất khác với một loại được nghiên cứu ở trường trung học.

Tổng hợp hữu cơ "cổ điển" là gì? Cho chất vào bình Athêm chất vào nó B, chúng tôi thêm dung môi, chúng tôi nhiệt, chúng tôi trộn và chúng tôi nhận được chất C. Sau đó, từ chất C tương tự chúng ta có được chất D và như vậy thông qua chuỗi. Đề án này có vẻ tốt trên giấy, nhưng trên thực tế mọi thứ trở nên phức tạp hơn. Sau khi chúng tôi thực hiện phản ứng đầu tiên, ngoài sản phẩm mong muốn trong bình sẽ có các tạp chất khác nhau, một dung môi, vật liệu khởi đầu không phản ứng.Vì vậy, trước khi chạy chất trong phản ứng tiếp theo, nó phải được phân lập từ kết quả "nước dùng" và làm sạch. Và đây là một lần nữa thời gian, chi phí, lít dung môi có hại và, quan trọng là mất sản phẩm. Nếu không phải một, không phải hai, nhưng khoảng mười giai đoạn liên tiếp là cần thiết để có được một chất phức tạp, ví dụ, một kháng sinh, người ta có thể tưởng tượng bao nhiêu hóa học được đổ vào ống cho một vài gram sản phẩm cuối cùng. Và chất phức tạp hơn (và các nhà hóa học hiện đại đối phó với sự tổng hợp các phân tử bao gồm hàng trăm nguyên tử và hàng chục nhóm chức năng), thì càng tốn kém. Cần làm gì đó.

Làm thế nào để thêm một nhóm mới vào một phân tử phức tạp hoặc thay thế bằng một phân tử khác mà không nhận được kg chất không cần thiết mà không sử dụng áp suất và nhiệt độ cực đoan và không sử dụng dung môi kỳ lạ? Và nó cũng được mong muốn rằng toàn bộ quá trình tổng hợp đa nguyên tiến hành theo nghĩa đen trong một bình – ở đây các nhà hóa học có lợi ích tự phục vụ nhỏ của riêng họ, họ sẽ không phải rửa đống thức ăn bẩn. Phải nói rằng tự nhiên đã giải quyết vấn đề này từ lâu bằng cách “phát triển” hóa học – hóa sinh của nó, nơi tất cả các phản ứng đều tiến hành với sự tham gia của các chất xúc tác, đó là các enzym.Tuy nhiên, để tái tạo cơ chế phản ứng enzym, người ta sẽ phải tạo ra một tế bào nhân tạo – với toàn bộ các cơ chế sinh hóa phức tạp nhất của nó. Do đó, các nhà hóa học muốn một cái gì đó đơn giản hơn, ngay cả khi nó không hiệu quả. Đây là cách khái niệm về công nghệ hóa học có chọn lọc và hiệu quả nguyên tử xuất hiện – phản ứng hóa học trong đó chúng ta thu được các thành phần phức tạp, cấu trúc chúng ta cần và làm tất cả điều này một cách thân thiện với môi trường và ít tốn kém nhất.

Các phương pháp mà có thể “véo” một mảnh từ một phân tử và thực tế phẫu thuật may một mảnh khác, trước đó, các vật thể tổng hợp càng trở nên khó khăn, các nhà hóa học càng khó xử lý chúng hơn. Ví dụ, nếu có một nhóm chức năng trong phân tử cần được thay thế bởi một phân tử khác, ở đây hóa học thông thường có thể chứng minh là khá mạnh. Nhưng nếu có mười nhóm giống hệt nhau trong một phân tử, và nó là cần thiết mà chỉ có một trong số họ phản ứng, sau đó việc sử dụng một chất xúc tác chọn lọc không thể tránh được. Do đó, nhiều phản ứng phức tạp đơn giản là không khả thi nếu không có chất xúc tác được thiết kế cho một phản ứng cụ thể.Nói chung, điều này tương tự như nguyên tắc được thực hiện trong các hệ thống sống, trong đó mỗi phản ứng tương ứng với enzyme của nó.

Năm 2014, một nhóm các tác giả người Nga, bao gồm đại diện của 15 phòng thí nghiệm và nhóm nghiên cứu từ Moscow, St. Petersburg, Novosibirsk, Omsk, Yekaterinburg, Biysk, đã xây dựng các nguyên tắc cơ bản để tiến hành phản ứng để xây dựng các phân tử hữu cơ với độ chính xác nguyên tử. Chemistry Advances mô tả một loạt các phương pháp xúc tác để tổng hợp các hợp chất: từ sản xuất công nghiệp các chất hữu cơ sang điện tử hữu cơ và gel siêu phân tử – một loại vật liệu thông minh mới thay đổi tính chất của chúng phụ thuộc vào ảnh hưởng bên ngoài.

Các chất xúc tác có chọn lọc cao có thể thay thế thành công các phương pháp tổng hợp cổ điển của nhiều chất được sử dụng rộng rãi. Lấy ví dụ này: khi bạn mua chất tẩy rửa chén, bạn có thể thích một số hương vị đặc biệt – chanh, táo, hoặc thậm chí cả trái cây nhiệt đới. Như bạn có thể đoán, không ai không phải chanh, cũng không táo, ít trái cây khác trong chất lỏng giặt không thêm vào, và mùi của chúng được tạo ra bởi hương vị nhân tạo.Đây có lẽ là phần có mùi dễ chịu nhất của các hợp chất hữu cơ – hợp chất thuộc loại este. Cách cổ điển để tổng hợp este là tiến hành phản ứng giữa axit hữu cơ và rượu khi có axit vô cơ mạnh hoạt động như chất xúc tác – nếu bạn vẫn còn nhớ hóa học hữu cơ từ trường học, đây là phản ứng este hóa. Nhưng nếu bạn sử dụng các chất xúc tác hiện đại, thì este có thể thu được từ rượu đơn giản ở năng suất cao. Đối với điều này, bạn cần phải uống hai loại rượu khác nhau và một chất xúc tác ruthenium, ví dụ, trong một phản ứng chéo liên kết oxy hóa thú vị:

Ý tưởng về khái niệm tổng hợp chọn lọc cao đã tìm thấy một phản ứng trong cộng đồng khoa học quốc tế. Năm nay, một ấn phẩm đặc biệt của một tạp chí khoa học đã được xuất bản. Hóa học – Tạp chí Châu Ádành riêng cho độ chính xác nguyên tử trong các phép biến đổi xúc tác.

Hóa học hữu cơ hiện đại đang dần dần chuyển từ một loại có mùi dung môi độc hại và để lại hàng trăm bình bẩn, thành một "hóa học xanh" sinh thái thân thiện và kinh tế.

Theo các tài liệu: Russ. Chem. Rev. 2014, 83, 885-985 và Chem. Asian J. Năm 2016, 11, 328-329; doi.: 10.1002 / asia.201501405.


Like this post? Please share to your friends:
Trả lời

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: