کشف واکنش خودبه‌خودی پیوند گوگردی توسط شیمیدانان، راهگشای پلاستیک‌های کاملاً قابل بازیافت

برای دهه‌ها، دستکاری پیوندهای قوی گوگرد-گوگرد که موادی مانند لاستیک ولکانیزه و پروتئین‌های پیچیده را کنار هم نگه می‌دارند، نیازمند نیروی زیاد بود. شیمیدانان معمولاً مجبور بودند از حرارت بالا، کاتالیزورهای خشن یا نور فرابنفش شدید استفاده کنند تا این زنجیره‌های مولکولی را وادار به شکستن و دوباره تشکیل شدن کنند. اما یک کشف غیرمنتظره توسط یک تیم بین‌المللی از محققان، این فرض اساسی را زیر و رو کرده است.[1]

محققان دانشگاه فلیندرز استرالیا و دانشگاه لیورپول بریتانیا، یک فرآیند شیمیایی ناشناخته قبلی را شناسایی کرده‌اند که «واکنش متاتز تری‌سولفید» نامیده می‌شود. در این واکنش، زنجیره‌های متشکل از سه اتم گوگرد به طور خودبه‌خودی از هم جدا شده و قطعات مولکولی را در دمای اتاق مبادله می‌کنند و در عرض چند ثانیه به تعادل می‌رسند.[3]

این پیشرفت که جزئیات آن در مجله Nature Chemistry منتشر شده است، کاملاً بدون افزودن واکنش‌دهنده‌ها یا انرژی خارجی رخ داده است. جاستین چالکر، استاد شیمی در دانشگاه فلیندرز و نویسنده ارشد این مطالعه، گفت: «کشف یک واکنش کاملاً جدید نادر است، و اینکه این واکنش در بسیاری از زمینه‌ها و کاربردها مفید باشد، حتی نادرتر است.»[1]

این کشف به عنوان یک ناهنجاری در طول آزمایش‌های روتین آزمایشگاهی آغاز شد. تیم تحقیقاتی هنگام مطالعه پلیمرهای حاوی گوگرد، متوجه شدند که مولکول‌های تری‌سولفید خاصی هنگام حل شدن در حلال‌های قطبی آپروتیک، مانند دی‌متیل‌فرمامید (DMF)، به سرعت در حال بازآرایی خود هستند.[2]

در ابتدا، شیمیدانان به یک آلاینده یا یک اثر کاتالیزوری ناشناخته مشکوک شدند. اما آزمایش‌های دقیق تأیید کرد که خود حلال این تبادل را تسهیل می‌کند. محیط قطبی به طور ظریفی پیوندهای گوگرد-گوگرد را تضعیف می‌کند و به مولکول‌ها اجازه می‌دهد تا تحت شکافت همولیتیک قرار گیرند و شرکای شیمیایی خود را مبادله کنند – فرآیندی که به عنوان متاتز شناخته می‌شود – با انتخابی بودن و سرعت فوق‌العاده.[2][3]

پیامدهای این کشف برای علم مواد فوری و عمیق است. پلاستیک‌های سنتی متکی بر پیوندهای کربن-کربن هستند که فوق‌العاده بادوام‌اند اما شکستن آن‌ها به شدت دشوار است و منجر به بحران جهانی زباله‌های پلاستیکی پایدار شده است. پلیمرهای مبتنی بر گوگرد یک جایگزین ارائه می‌دهند، اما از لحاظ تاریخی فاقد یکپارچگی ساختاری پلاستیک‌های معمولی بودند.[4]

با استفاده از این واکنش جدید، تیم یک پلاستیک پلی(تری‌سولفید) جدید سنتز کرد که خواص فیزیکی پلی‌اتیلن را تقلید می‌کند. این ماده می‌تواند به صورت قطعات مستقل و بادوام قالب‌گیری تزریقی شود که در برابر فشرده‌سازی فیزیکی مقاومت کرده و سطحی لغزنده و قابل استفاده را حفظ می‌کند.[1][4]

نکته حیاتی این است که این پلاستیک جدید برای بازیافت واقعی با چرخه بسته طراحی شده است. با وارد کردن یک حلال خاص و مقدار کمی مولکول‌های آغازگر اضافی، زنجیره‌های پلیمری به سرعت دپلیمریزه می‌شوند و دوباره به بلوک‌های ساختمانی مونومر اصلی خود تجزیه می‌گردند.[1][3]

در آزمایش‌های آزمایشگاهی، این فرآیند معکوس در عرض چند دقیقه به پایان رسید و اجزای شیمیایی اصلی را با بازده ۹۱٪ و خلوص فوق‌العاده بالا بازیابی کرد. این امر به ماده اجازه می‌دهد تا بی‌نهایت «بازسازی» و دوباره ساخته شود بدون اینکه کیفیت آن کاهش یابد، و یک طرح عملی برای اقتصاد چرخشی پلاستیک‌ها ارائه می‌دهد.[4]

فراتر از مواد پایدار، واکنش متاتز تری‌سولفید یک تنگنای بزرگ در فارماکولوژی (داروسازی) را حل می‌کند. توسعه‌دهندگان دارو اغلب نیاز دارند تا اصلاحات ساختاری دقیقی در مولکول‌های پیچیده ایجاد کنند تا اثربخشی آن‌ها را بهبود بخشند یا سمیت را کاهش دهند. با این حال، اعمال حرارت یا مواد شیمیایی خشن که معمولاً برای تغییر پیوندهای گوگردی لازم است، اغلب بقیه مولکول حساس دارو را در این فرآیند از بین می‌برد.[2][4]

برای آزمایش ملایمت واکنش جدید خود، محققان آن را بر روی کالیچه‌مایسین (calicheamicin) اعمال کردند، یک ترکیب ضد تومور قوی که با یک زنجیره گوگردی بسیار حساس و یک چارچوب کربنی تحت فشار و واکنش‌پذیر مشخص می‌شود.[4]

در عرض ده دقیقه در دمای اتاق، تبادل خودبه‌خودی با موفقیت یک بخش هدف‌گذاری شده از زنجیره گوگردی دارو را جایگزین کرد، بدون اینکه هیچ آسیب شیمیایی جانبی به بقیه مولکول وارد شود. این سطح از دقت جراحی به داروسازان اجازه می‌دهد تا داروهای موجود را با خیال راحت اصلاح کنند و به سرعت کتابخانه‌های ترکیبی دینامیک را برای غربالگری درمان‌های جدید سنتز کنند.[1][2][4]

این واکنش در کاربردهای مواد خود، با مصالحه‌های فیزیکی همراه است. از آنجایی که پیوندهای گوگرد-گوگرد ذاتاً ضعیف‌تر از پیوندهای کربن-کربن در پلاستیک‌های پتروشیمی سنتی هستند، پلیمرهای قابل بازیافت جدید تحمل حرارتی کمتری از خود نشان می‌دهند و در دماهای پایین‌تر شروع به تجزیه می‌کنند.[4]

در حالی که این سقف حرارتی در حال حاضر استفاده از این پلاستیک را در کاربردهای صنعتی با حرارت بالا محدود می‌کند، اما برای بسته‌بندی‌های یک‌بار مصرف و لجستیک زنجیره سرد، که در آن‌ها نیاز مبرمی به بازیافت واقعی وجود دارد، کاملاً مناسب است. شیمیدانان در حال حاضر در تلاشند تا دوام چارچوب مولکولی اطراف را تنظیم کنند تا مقاومت حرارتی ماده را بدون قربانی کردن توانایی آن در دپلیمریزاسیون، افزایش دهند.[3][4]

کشف یک واکنش شیمیایی بنیادی جدید، یک رویداد نسلی در علوم فیزیکی محسوب می‌شود. این تحقیق با تبدیل یک پیوند مولکولی که از نظر تاریخی سرسخت بوده، به یک ابزار پویا و به راحتی قابل برنامه‌ریزی، مسیرهای کاملاً جدیدی را برای هم اصلاح محیط زیست و هم پزشکی دقیق باز می‌کند.[4]