I ricercatori hanno sviluppato un processo chimico che potrebbe rendere una classe di polimeri noti come polisolfati più competitiva con i policarbonati, plastiche robuste che possono formare pannelli strutturali come quelli illustrati qui. Tali pannelli possono essere utilizzati come materiali da costruzione. Le plastiche in policarbonato sono utilizzate anche per occhiali di sicurezza e borracce, tra le altre applicazioni. Credito:falconsoft/Pixabay
Un team di ricercatori ha sviluppato un modo più semplice e veloce per produrre polimeri contenenti zolfo che ridurranno i costi di produzione su larga scala.
Il raggiungimento, pubblicato in Chimica della natura e Angewandte Chemie , apre le porte alla creazione di nuovi prodotti da questa classe di polimeri producendo rifiuti molto meno pericolosi. La tecnica di reazione dei ricercatori, soprannominato SuFEx per lo scambio di fluoruro di zolfo (VI), combinato con una nuova classe di catalizzatori che accelerano le reazioni, potrebbe essere utilizzato per realizzare qualsiasi cosa, da bottiglie d'acqua e custodie per cellulari a dispositivi medici e vetri antiproiettile.
Quando viene scoperta una molecola utile, ci sono poche reazioni che i chimici possono utilizzare che siano abbastanza semplici ed efficienti da soddisfare i requisiti di produzione industriale per un ridimensionamento economico. Nel 2001, Il premio Nobel K. Barry Sharpless ha introdotto un nuovo concetto di chimica organica noto come "click chemistry, " descrivendo una serie di controlli controllabili, reazioni altamente reattive che sono ad alto rendimento e richiedono poca o nessuna purificazione.
Seguendo l'esempio della natura, le reazioni ai clic seguono protocolli semplici, utilizzare materiali di partenza prontamente disponibili, e lavorare in condizioni di reazione blande con reagenti di partenza benigni. La chimica dei clic è diventata uno strumento prezioso per generare grandi librerie di composti potenzialmente utili mentre le industrie cercano di scoprire nuovi farmaci e materiali.
Un ricercatore dimostra la sintesi di massa di un polisolfato, che si basa su una tecnica chimica chiamata reazione SuFEx. Credito:Berkeley Lab
Scienziati della fonderia molecolare del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), una struttura specializzata nella scienza su nanoscala, ha lavorato con un team guidato da Sharpless e Peng Wu, professori presso lo Scripps Research Institute (TSRI). Il team ha creato lunghe catene di molecole contenenti zolfo collegate, detti polisolfati e polisolfonati, utilizzando una reazione clic SuFEx.
"La chimica dei clic è un potente strumento per la scoperta dei materiali, ma i chimici di sintesi spesso non sono ben attrezzati per caratterizzare i polimeri che creano, " disse Yi Liu, direttore della struttura di sintesi organica presso la Fonderia Molecolare. "Possiamo fornire un ampio spettro di competenze e strumentazione in grado di ampliare la portata e l'impatto della loro ricerca".
La reazione SuFEx, introdotta come nuova famiglia di reazioni ai clic nel 2014, crea in modo affidabile e rapido nuovi legami chimici, composti leganti insieme a solfati o solfonati. Mentre i polisolfati hanno mostrato un grande potenziale come concorrenti dei policarbonati (plastiche resistenti utilizzate per le lenti degli occhiali e le bottiglie d'acqua, Per esempio), sono stati usati raramente per applicazioni industriali a causa della mancanza di processi sintetici affidabili e facilmente scalabili.
Per superare le sfide della produzione di massa di polisolfati e polisolfonati, il team TSRI ha esplorato vari catalizzatori e reagenti di partenza per ottimizzare la reazione SuFEx. Hanno fatto affidamento sui loro collaboratori presso la Molecular Foundry per valutare le proprietà fisiche e determinare se i polimeri di nuova creazione erano prodotti termicamente stabili.
Una tecnica chimica di nuova concezione potrebbe rendere le plastiche a base di polisolfato più competitive rispetto ai policarbonati, che vengono utilizzati per realizzare occhiali di sicurezza come quelli mostrati qui. Sullo sfondo vengono visualizzati i diagrammi chimici relativi alla nuova tecnica. Credito:Wikimedia Commons, Berkeley Lab
I polimeri sono assemblati da molecole più piccole, come infilare uno schema ripetuto di perline su una collana. Nella creazione di una "collana" di polisolfonato con SuFEx, i ricercatori hanno identificato l'etenesulfonil fluoruro-ammina/anilina e l'etere di bisfenolo come buone "perline" da utilizzare e hanno scoperto che l'uso del sale bifluoruro come catalizzatore metteva in azione la reazione precedentemente lenta. I ricercatori hanno scoperto che l'elevata efficienza della reazione si traduce in una notevole conversione del 99 percento, dai reagenti di partenza ai prodotti, in meno di un'ora.
I ricercatori hanno scoperto che la nuova reazione richiede 100 a 1, 000 volte meno catalizzatore rispetto ad altri metodi noti, con conseguente riduzione dei rifiuti pericolosi. I sali di bifluoruro sono anche molto meno corrosivi dei catalizzatori usati in precedenza, consentendo una gamma più ampia di "perline" di substrato di partenza, " che i ricercatori sperano possa portare alla sua adozione per una serie di processi industriali.
"Ci sono molti nuovi polimeri che non sono stati ampiamente utilizzati dall'industria prima, " ha detto Liu. "Riducendo gli sprechi e migliorando la purezza del prodotto, riduciamo i costi e rendiamo questa reazione molto più favorevole all'industria".
La Molecular Foundry è una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE che fornisce accesso gratuito a attrezzature all'avanguardia e competenze multidisciplinari nella scienza su scala nanometrica a scienziati in visita da tutto il mondo.
