Chemia organiczna jest dzisiaj podstawą wytwarzania kosmetyków, leków czy materiałów do smartfonów. To jak budowanie z klocków LEGO w mikroskopowej skali – łączenie atomów pozwala na powstawanie cząsteczek o coraz bardziej skomplikowanej strukturze. W każdym przypadku kluczowe jest utworzenie wiązania między dwoma atomami węgla, które muszą być kompatybilne.
Czytaj też: Związki chemiczne? Znamy ich mniej, niż sądzisz. Poszukiwania trwają
Jest jednak pewien “haczyk” – okazuje się, że najbardziej reaktywne atomy węgla zwykle mają ładunek dodatni, a to oznacza, że wręcz odpychają się i nie są skore do fuzji. To tak, jakby próbować dwa niepasujące do siebie klocki LEGO za pomocą gwoździ. Sposób obejścia tego problemu jest znany już od ponad 100 lat, ale teraz naukowcy z Tallinn University of Technology (TalTech) postanowili go usprawnić. Szczegóły opisano w czasopiśmie Angewandte Chemie International Edition.
Reakcja Barbiera ulepszona – teraz naprawdę ma sens
Na początku XIX w., znaleziono sprytne obejście tego problemu poprzez zastosowanie tzw. związków metaloorganicznych. Wiążąc węgiel z metalem, np. cynkiem lub magnezem, można zmieniać ładunek atomu węgla z dodatniego na ujemny. Dochodzi do zmiany polaryzacji i otwiera szeroko drzwi dla chemicznej kreatywności.
Czytaj też: Chemia klik, czyli rewolucja w syntezie organicznej z Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii 2022
Za odkrycie związków metaloorganicznych odpowiada francuski chemik, Victor Grignard, który w 1912 r. za opracowanie metod otrzymywania związków magnezoorganicznych otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. Od jego nazwiska pochodzi nazwa reakcji Grignarda, która zrewolucjonizowała chemię. Ma jednak swoje wady. Wysoce reaktywne cząsteczki zawierające metal są niestabilne i mogą łatwo ulec rozkładowi pod wpływem wilgoci lub powietrza, co utrudnia zastosowania na skalę przemysłową. Rozwiązaniem tego problemu jest wytwarzanie związków metaloorganicznych jedynie w postaci krótkotrwałych półproduktów, które reagują w tym samym środowisku i tworzą stabilne związki. Nauczyciel Grignarda, Philip Barbier, próbował w ten sposób łączyć atomy węgla, ale bez zadowalających wyników.
Grupa uczonych z TalTech zajmujących się chemią supramolekularną (zajmującą się strukturami złożonymi z wielu podjednostek), kierowana przez prof. Riinę Aav i dr Dzmitry’ego Kananovicha tchnęła nowe życie w reakcję Barbiera. Na czym polega ich innowacja?
Zamiast mieszać związki chemiczne z metalicznym magnezem w rozpuszczalnikach organicznych (jak tradycyjnie wymaga przepis reakcji Barbiera), naukowcy odkryli, że zmielenie ich razem bez rozpuszczalnika w urządzeniu zwanym wytrząsarką z sitem wibracyjnym skutkuje niezwykłą poprawą, zarówno pod względem wydajności, jak i przyjazności dla środowiska. To ekscytujące odkrycie przywraca metodę Barbiera w centrum uwagi, czyniąc ją tak samo skuteczną jak słynna metoda Grignarda.
Technika stosowana przez badaczy nazywa się mechanochemią i choć znana jest od czasów starożytnych, już dawno została porzucona przez środowisko naukowe zajmujące się syntezą organiczną na rzecz bardziej tradycyjnej chemii opartej na roztworach. Urządzenia mechanochemiczne umożliwiają zachodzenie reakcji chemicznych poprzez szybkie mieszanie i mielenie substancji stałych, a nie poprzez mieszanie roztworów.
Dlaczego ta zapomniana technika zyskuje na popularności? Jest bezpieczna i korzystna dla środowiska. Mechanochemia pozwala uniknąć stosowania niebezpiecznych rozpuszczalników organicznych, które stanowią poważne zagrożenie zarówno dla ludzi, jak i planety. Szczególnie ekscytującym obszarem zainteresowania w chemii jest wytwarzanie związków metaloorganicznych. Ekscytującym aspektem nowej metody jest jej odporność na działanie powietrza, a nawet niektórych słabych kwasów, co nie sprawdza się w przypadku tradycyjnych metod, takich jak reakcja Grignarda. Ponieważ związki metaloorganiczne istnieją tylko przez krótki czas jako półprodukty i mogą reagować i tworzyć produkty końcowe, odkrycie to jest niezwykle obiecujące, ponieważ zrewolucjonizuje produkcję wielu cennych substancji.