Μια ομάδα χημικών ανακάλυψε έναν αναπάντεχο τρόπο χρήσης του φωσφόρου για την πραγματοποίηση χημικών αντιδράσεων που συνήθως βασίζονται σε σπάνια και δαπανηρά μέταλλα.
Χημικοί του UCLA ανακάλυψαν έναν απροσδόκητο τρόπο για να αντικαταστήσουν μερικά από τα πιο ακριβά συστατικά της σύγχρονης χημείας με κάτι πολύ πιο κοινό.
Η εργασία τους δείχνει ότι ο φώσφορος, ένα στοιχείο που βρίσκεται ευρέως στη φύση, ακόμη και στα ζωντανά κύτταρα, μπορεί να πραγματοποιήσει αντιδράσεις που επί μακρόν θεωρούνταν ότι απαιτούν σπάνια μέταλλα, όπως ο λευκόχρυσος (πλατίνα).
Αυτά τα μέταλλα δεν είναι μόνο δαπανηρά, αλλά αποτελούν και βασικό στόχο κλοπών καταλυτών, καθώς βοηθούν στην εξουδετέρωση των επιλαβών καυσαερίων.
Η μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature, επικεντρώνεται σε ένα μόριο που ενεργοποιείται από το φως και ονομάζεται φωτοκαταλύτης. Αυτό το μόριο συνεργάζεται με μια φθηνή ένωση φωσφόρου για να συνδέσει αζωτούχες ενώσεις (που συναντώνται συχνά στα φάρμακα) με έναν διπλό δεσμό άνθρακα-άνθρακα.
Η διαδικασία αυτή, γνωστή ως υδροαμίνωση, αποτελεί μια χρήσιμη μέθοδο για την κατασκευή πιο πολύπλοκων χημικών δομών. «Οι δεσμοί άνθρακα-αζώτου είναι από τους πιο σημαντικούς τύπους δεσμών για την ανακάλυψη και την παρασκευή φαρμάκων. Σχεδόν όλα τα φάρμακα περιέχουν άζωτο, αλλά η ενσωμάτωση αυτού του αζώτου στα μόρια είναι δύσκολη, γι’ αυτό και χρησιμοποιούμε πολύτιμους καταλύτες από μέταλλα μετάπτωσης», δήλωσε η καθηγήτρια χημείας του UCLA, Abigail Doyle, και η κύρια συγγραφέας της δημοσίευσης.
Τα μέταλλα μετάπτωσης είναι λαμπερά, ηλεκτρικά αγώγιμα μέταλλα, όπως ο χρυσός, ο άργυρος, ο χαλκός, το ιρίδιο, ο λευκόχρυσος και το παλλάδιο. Υπό τις κατάλληλες συνθήκες, αντιδρούν εύκολα με πολλά άλλα στοιχεία, επιταχύνοντας τις χημικές αντιδράσεις.
Ως εκ τούτου, έχουν καταστεί απαραίτητοι βιομηχανικοί καταλύτες.
Το πρόβλημα με τα πολύτιμα μέταλλα
«Αυτά τα μέταλλα χρησιμοποιούνται στους καταλύτες των κινητήρων αυτοκινήτων, καθώς και για την κατασκευή μιας τεράστιας ποικιλίας υλικών, από εξαρτήματα για τζιν παντελόνια μέχρι φάρμακα», δήλωσε η Doyle. «Ωστόσο, η χρήση τους μπορεί να είναι πολύ δαπανηρή, επομένως υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον είτε για την εύρεση λιγότερο ακριβών μετάλλων μετάπτωσης που θα τα αντικαταστήσουν, όπως ο χαλκός, το νικέλιο ή ο σίδηρος, είτε για την εύρεση ενός καταλύτη από διαφορετικό τομέα του περιοδικού πίνακα, ο οποίος να είναι άφθονος και να μπορεί επίσης να αντιδρά με τον τρόπο που το κάνουν τα μέταλλα».
Ο φώσφορος είναι απαραίτητος για τη ζωή και βρίσκεται ευρέως στη φύση. Οι ενώσεις του χρησιμοποιούνται επίσης συχνά στην οργανική χημεία. «Οι χημικοί έχουν αναπτύξει κάθε είδους ονομαστικές αντιδράσεις χρησιμοποιώντας ενώσεις φωσφόρου, συμπεριλαμβανομένων παραδειγμάτων όπου οι φωσφίνες λειτουργούν ως καταλύτες», δήλωσε η Doyle.
Οι φωσφίνες είναι μόρια στα οποία ένα άτομο φωσφόρου είναι συνδεδεμένο με τρία άτομα άνθρακα. «Ανακαλύψαμε όμως έναν νέο τρόπο αντιδραστικότητας για τον φώσφορο, ο οποίος μιμείται τη μέθοδο που εφαρμόζουν συνήθως στην κατάλυση τα μέταλλα μετάπτωσης, όπως το παλλάδιο και το ιρίδιο», δήλωσε η Doyle.
Η ανακάλυψη προέκυψε αναπάντεχα, ενώ οι ερευνητές εξερευνούσαν νέους τρόπους για τον σχηματισμό δεσμών άνθρακα-αζώτου. Κατά τη διάρκεια αυτών των πειραμάτων, παρατήρησαν ένα ασυνήθιστο αποτέλεσμα αντίδρασης που δεν ανταποκρινόταν στις αρχικές τους προσδοκίες.
«Ξαφνιαστήκαμε όταν είδαμε υψηλή αντιδραστικότητα για ένα εντελώς διαφορετικό προϊόν από αυτό που περιμέναμε. Ήταν σίγουρα ένας γρίφος το να προσπαθήσουμε να καταλάβουμε τι συνέβαινε», δήλωσε η πρώτη συγγραφέας και διδακτορική φοιτήτρια Flora Fan.
Παρόλο που αρχικά η διαδικασία δεν είχε σχεδιαστεί για να λειτουργεί με αυτόν τον τρόπο, η ομάδα τελικά κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ο φώσφορος έπρεπε να λειτουργεί σαν μέταλλο στην αντίδραση.
Η λειτουργία της αντίδρασης
Η αντίδραση πραγματοποιείται μέσω μιας βραχύβιας, εξαιρετικά δραστικής μορφής φωσφόρου. Αυτό το ενδιάμεσο στάδιο αλληλεπιδρά με τους διπλούς δεσμούς άνθρακα-άνθρακα με τρόπο παρόμοιο με αυτόν που οι μεταλλικοί καταλύτες ενεργοποιούν αυτούς τους δεσμούς. Ταυτόχρονα, το σύστημα του φωσφόρου ακολουθεί διαφορετικούς υποκείμενους κανόνες.
Μια βασική διαφορά εντοπίζεται στον τρόπο με τον οποίο μεταφέρονται τα ηλεκτρόνια κατά την αντίδραση. Η ένωση του φωσφόρου μπορεί να συμμετέχει σε διεργασίες τόσο ενός όσο και δύο ηλεκτρονίων, ενώ οι καταλύτες μετάλλων μετάπτωσης βασίζονται συνήθως σε διαδρομές δύο ηλεκτρονίων.
Αυτή η διαφορά επιτρέπει στην αντίδραση να ακολουθήσει μια μοναδική οδό και να δεχθεί ένα ευρύτερο φάσμα αζωτούχων μορίων. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι η κατανόηση τόσο των ομοιοτήτων όσο και των διαφορών μεταξύ του φωσφόρου και των μεταλλικών καταλυτών θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέους τρόπους σχεδιασμού χημικών αντιδράσεων χρησιμοποιώντας πιο άφθονα στοιχεία.
«Είμαστε ενθουσιασμένοι που προσπαθούμε να καταλάβουμε πόσο μακριά μπορούμε να ανακαλύψουμε αυτή τη χημεία», δήλωσε η Fan. «Ελπίζουμε ότι θα ανοίξει πόρτες σε πιο ευέλικτες μεθόδους για την παρασκευή φαρμακευτικών ενώσεων και άλλων χημικών προϊόντων προστιθέμενης αξίας». Εντωμεταξύ, οι ιδιοκτήτες αυτοκινήτων μπορούν να ελπίζουν ότι η ανακάλυψη θα βρει τελικά τον δρόμο της προς τους καταλύτες.