رفتن به محتوای اصلی
پژوهش کوهستاننوآوری شیمیاییتوضیح و تشریح۲۳ تیر ۱۴۰۵، ۲:۲۳· 5 دقیقه مطالعه· در علم

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

محققان یک واکنش شیمیایی ناشناخته قبلی را شناسایی کرده‌اند که به پیوندهای گوگرد-گوگرد اجازه می‌دهد تا به طور خودبه‌خودی در دمای اتاق شکسته و دوباره تشکیل شوند. این کشف راه را برای پلاستیک‌های قابل بازیافت با چرخه بسته و اصلاحات بسیار دقیق داروهای ضد سرطان حساس هموار می‌کند.

به قلم فرشید جمشیدی

شیمیدانان پلیمر 40%داروسازان (فارماکولوژیست‌ها) 35%تولیدکنندگان صنعتی 25%
شیمیدانان پلیمر
تمرکز بر پتانسیل این پیشرفت برای حل بحران زباله‌های پلاستیکی از طریق بازیافت واقعی با چرخه بسته.
داروسازان (فارماکولوژیست‌ها)
ارزش قائل شدن برای توانایی واکنش در اصلاح جراحی‌مانند مولکول‌های دارویی حساس بدون آسیب جانبی.
تولیدکنندگان صنعتی
احتیاط در مورد دوام تجاری و محدودیت‌های حرارتی پلاستیک‌های مبتنی بر گوگرد.
۹۱%
بازده بازیابی مونومر
۱۰ دقیقه
زمان لازم برای اصلاح کالیچه‌مایسین
۸۰–۱۵۰°C
حرارت قبلی مورد نیاز برای پیوندهای S-S

نکات کلیدی

  • شیمیدانان یک «واکنش متاتز تری‌سولفید» جدید کشف کردند که به طور خودبه‌خودی پیوندهای گوگردی را در دمای اتاق می‌شکند و دوباره تشکیل می‌دهد.
  • این واکنش به هیچ حرارت، نور یا کاتالیزور خارجی نیاز ندارد و در حلال‌های قطبی در عرض چند ثانیه به تعادل می‌رسد.
  • این کشف امکان ایجاد پلاستیک‌هایی شبیه به پلی‌اتیلن را فراهم می‌کند که می‌توانند به صورت شیمیایی به بلوک‌های ساختمانی اصلی خود بازیافت شوند.
  • داروسازان با موفقیت از این واکنش ملایم برای اصلاح داروی ضد تومور حساس کالیچه‌مایسین بدون ایجاد آسیب جانبی استفاده کردند.
  • در حالی که پلاستیک‌های گوگردی جدید بازیافت واقعی با چرخه بسته را ارائه می‌دهند، تحمل حرارتی پایین‌تر آن‌ها در حال حاضر کاربردشان را به مصارف در دمای اتاق محدود می‌کند.

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]

این واکنش به زنجیره‌های تری‌سولفید اجازه می‌دهد تا قطعات مولکولی را به صورت خودبه‌خودی و در عرض چند ثانیه با هم تبادل کنند.

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]

با استفاده از این واکنش جدید، تیم یک پلاستیک پلی(تری‌سولفید) جدید سنتز کرد که خواص فیزیکی پلی‌اتیلن را تقلید می‌کند.

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]

پلیمر جدید مبتنی بر گوگرد می‌تواند به روش شیمیایی با بازده ۹۱ درصدی به اجزای سازنده اصلی خود دپلیمریزه شود.

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]

ماهیت ملایم این واکنش به داروسازان اجازه می‌دهد تا ترکیبات ضد سرطان حساس را با خیال راحت اصلاح کنند.

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]

اصطلاحات کلیدی

تری‌سولفید
یک ترکیب شیمیایی حاوی زنجیره‌ای دقیقاً سه اتم گوگرد پیوند خورده.
متاتز
یک واکنش شیمیایی که در آن دو مولکول در حال تعامل، بخش‌هایی را مبادله می‌کنند تا دو مولکول جدید تشکیل دهند، اساساً «مبادله شریک».
حلال قطبی آپروتیک
نوعی مایع که مواد را حل می‌کند و دارای بار الکتریکی جزئی است، اما نمی‌تواند اتم‌های هیدروژن را اهدا کند (مثلاً دی‌متیل‌فرمامید).
دپلیمریزاسیون
فرآیند تجزیه یک زنجیره پلیمری پلاستیکی بلند به بلوک‌های ساختمانی مولکولی اصلی و منفرد خود.
شکافت همولیتیک
شکستن یک پیوند شیمیایی که در آن هر قطعه یکی از الکترون‌های مشترک اصلی را حفظ می‌کند.

آنچه نمی‌دانیم

  • اینکه آیا پایداری حرارتی پلاستیک‌های مبتنی بر گوگرد می‌تواند به اندازه‌ای افزایش یابد که جایگزین پلاستیک‌های پتروشیمی با حرارت بالا شوند.
  • فرآیند دپلیمریزاسیون مبتنی بر حلال تا چه حد می‌تواند به راحتی برای تأسیسات بازیافت شهری صنعتی مقیاس‌پذیر باشد.
  • طیف کامل ترکیبات دارویی موجود که ممکن است از این تکنیک خاص اصلاح تری‌سولفید بهره‌مند شوند.

منابع

پوشش منابع

4 منبع

3 دیدگاه شناسایی‌شده

شیمیدانان پلیمر 40%داروسازان (فارماکولوژیست‌ها) 35%تولیدکنندگان صنعتی 25%
  1. [1]Nature Chemistryشیمیدانان پلیمر

    Spontaneous Trisulfide Metathesis in Polar Aprotic Solvents

    مطالعه در Nature Chemistry
  2. [2]Springer Natureداروسازان (فارماکولوژیست‌ها)

    Spontaneous Trisulfide Metathesis in Polar Aprotic Solvents

    مطالعه در Springer Nature
  3. [3]ChemRxivشیمیدانان پلیمر

    Spontaneous S-S Metathesis of Trisulfides

    مطالعه در ChemRxiv
  4. [4]تیم سردبیری کوهستانتولیدکنندگان صنعتی

    تحلیل تیم سردبیری کوهستان

    مطالعه در تیم سردبیری کوهستان

نظرات

همیشه در جریان باشید

هر زاویه. هر روز.

دریافت علم اخبار همراه با پوشش کامل منابع و تحلیل دیدگاه‌ها، مستقیم در صندوق ورودی شما.