«Некоторые из самых полезных строительных блоков, которые у нас есть в мире, — это простые, обильные углеводороды, такие как метан, который мы извлекаем из земли. Их можно использовать в качестве исходных материалов для сложных химических продуктов, таких как пластмассы и фармацевтические препараты», — сказал Исаак Гарсиа. Бош, Гарольд А. Джески Эндауед кафедры доцент кафедры химии в СМУ. «Но первый шаг процесса очень и очень труден — разорвать связь углерод-водород. Чем сильнее связь, тем труднее окислить».
Химическая промышленность должна разорвать прочную связь между молекулами углерода и водорода, чтобы синтезировать продукты окисления, такие как метанол и фенолы. Это называется окислением, потому что оно заставляет молекулу вступать в реакцию, в которой она соединяется с кислородом, разрывая связи C-H и образуя новые связи углерод-кислород.Обычный химический рецепт требует использования неэффективных и дорогих окислителей для разрыва связи C-H. Этот процесс дорогостоящий, сложный и оставляет после себя грязные отходы.
Химики из SMU в сотрудничестве с Университетом Джонса Хопкинса нашли более дешевый и более чистый способ взломать устойчивую связь C-H.Гарсия-Бош и химик Максим А. Сиглер, директор центра рентгеновской кристаллографии в Университете Джона Хопкинса, использовали медные катализаторы, которые в сочетании с перекисью водорода (источник кислорода) могут преобразовывать связи C-H в связи C-O.«Это очень важное открытие, потому что впервые доказано, что медь может эффективно проводить такое окисление за пределами природы», — сказал Гарсия-Бош. «Подготовка очень проста, поэтому ее могут сделать в любой лаборатории. Медь относительно дешева по сравнению с другими металлами, такими как палладий, золото или серебро, а перекись водорода легко доступна, относительно дешевая и очень чистая.
Один из побочных продуктов окисления с помощью перекись водорода (H2O2) — это вода (H2O), которая является самым чистым отходом, который у вас может быть ».Кроме того, исследователи нашли правильный лиганд — материал на основе азота, который связывается с медью, так что процесс окисления может происходить с почти идеальной эффективностью.
Важно иметь правильный лиганд, правильное количество перекиси водорода и правильный металл, чтобы окислить эти сложные связи C-H.«Мы нашли эту комбинацию», — сказал Гарсия-Босх.По его словам, химия похожа на головоломку, в которой вы строите новые молекулы из других молекул.
В любой молекуле есть много связей C-H. Например, в октанах, таких как те, что содержатся в бензине, есть углеродная цепь из восьми атомов углерода с несколькими связями C-H с разными химическими свойствами, сказал Гарсия-Бош, и в результате окисления каждой из связей C-H получается другой продукт.Химики разрабатывают катализаторы, которые способны разрушать и образовывать связи, чтобы построить сложные химические структуры.«Катализаторы должны иметь возможность выбирать между различными связями C-H и, например, образовывать новые связи углерод-кислород, углерод-азот или фторуглерод», — сказал Гарсия-Бош. «Биологические процессы используют металлы для этого постоянно, например, в нашем организме, когда наша печень обрабатывает лекарство, которое мы принимаем, используя железо.
Минералы, такие как железо, медь, марганец, кальций и калий, имеют решающее значение для естественного каталитического процесса. Ведь Например, деревья используют марганец (фотосинтез) для преобразования воды в кислород, которым мы дышим »Гарсия-Бош и Зиглер сообщили о своих выводах в статье «Катализируемое медью окисление алканов с помощью H2O2 в режиме Фентона», опубликованной в международном выпуске журнала Angewandte Chemie.Впервые использовалась медь для окисления C-HВ органической химии не так много примеров меди в качестве катализатора окисления углерод-водород.
Большинство примеров основано на железе.«Впервые в нашей области мы использовали медь для очень эффективного окисления C-H», — сказал Гарсия-Бош.«Медь очень универсальна по своей природе», — сказал он. «С небольшими изменениями среды, в которой находится медь, можно делать очень разнообразную химию.
Вот почему мы выбрали ее».Этой средой является лиганд, который придает меди свойства вызывать химическую реакцию, когда химические ингредиенты объединяются во флаконе или круглодонной колбе.Исследователи обнаружили, что эти катализаторы — медь в форме белой соли и лиганд в виде масла — могут очень эффективно окислять связи C-H в сочетании с перекисью водорода, восстановленной формой кислорода, которую использует природа.
«Вы можете найти перекись водорода где угодно, даже дома, в своей аптечке. Так что это мягкий окислитель», — сказал Гарсия-Бош. «Это также удобно, потому что это жидкость, а не, скажем, газ, который может потребовать специального хранения. Вы смешиваете все вместе в растворителе, и он вступает в реакцию.
Это похоже на приготовление супа, рецепт, а затем вы анализируете результат, чтобы посмотри, что получишь. "Используя прибор для газовой хроматографии, Гарсия-Бош и Зиглер проанализировали конечный раствор, чтобы увидеть результаты реакции. Это позволило им количественно определить количество продукта окисления, образовавшегося во время реакции.Следующий шаг — нацеливание на конкретную связь C-H«Мы протестировали эту каталитическую систему на различных субстратах и увидели, что она не очень избирательна», — сказал Гарсия-Бош. «Это проблема. Так что, если у нас есть молекулы, которые имеют много разных связей C-H, тогда он будет окислять их все неселективным образом.
В нашей лаборатории мы хотели бы найти селективные катализаторы. Это следующий проект».