Мицеллярные нанореакторы избавят химиков и фармацевтов от ядовитых растворителей
Исследователи из Университета Райса разработали новый метод проведения химических реакций с использованием воды вместо токсичных растворителей. Ученые создали микроскопические реакторы, способные запускать химические процессы с использованием энергии света. Они разработали металлокомплексные поверхностно-активные вещества (МКПАВ), которые самостоятельно собираются в наноразмерные сферы-мицеллы. Это нововведение может значительно снизить загрязнение окружающей среды и нежелательные контакты сотрудников с токсичными веществами в таких отраслях, как фармацевтика и лабораторный синтез, где часто применяются вредные органические растворители.
Новая мицеллярная технология представляет собой шаг вперед в области экологически чистой химии. Самоорганизующиеся мицеллы образуются в воде, где их гидрофобные ядра создают уникальную среду для проведения реакций даже с материалами, которые обычно нерастворимы в воде. Исследовательская группа под руководством Анхеля Марти, профессора и заведующего кафедрой химии в Институте Райс, продемонстрировала, что эта система может эффективно проводить фотокаталитические реакции, устраняя необходимость в использовании опасных веществ. Исследование опубликовано в журнале Chemical Science.
«Наши результаты показывают, насколько действенным могут быть нанотехнологии в решении проблем устойчивости веществ при сохранении высоких химических характеристик», — с гордостью говорит Марти. «Мы создали инструмент, который может проводить химические реакции и менять их условия, нанося минимальный вред окружающей среде и обеспечивая максимальный выход и качество продукта».
Как это работает
Поверхностно-активные вещества (ПАВ) — это молекулы с двойной природой: их гидрофильная часть притягивается к воде, а гидрофобная отталкивает воду. При добавлении в воду они естественным образом образуют мицеллы (крошечные сферы), в центре которых гидрофобные алкильные хвосты создают небольшое пустое пространство. Ученые модифицировали эти поверхностно-активные вещества, добавив в их структуру светочувствительный комплекс металлов, что позволило получить специфические МКПАВ.
Исследователи протестировали различные версии МКПАВ, изменив длину их гидрофобных (водоотталкивающих) хвостов. Они обнаружили, что эти молекулы могут образовывать мицеллы размером до 5–6 нанометров, что намного меньше, чем в аналогичных системах без атомов металлов. Команда использовала мицеллы для проведения фотокаталитической реакции, что позволило получить высокие выходы без использования вредных растворителей.
«Эти мицеллы действуют как крошечные реакционные сосуды», — говорит Ин Чен, первый автор этого исследования и докторант кафедры химии в университете Райса. «Они обеспечивают химические превращения, которые обычно не происходят в воде, и при этом гарантируют лучшую стабильность реакции, нежели традиционные методы».
Многие химические процессы в производстве и научных исследованиях основаны на использовании органических растворителей, которые вредны для окружающей среды и здоровья сотрудников и оттого дороги в обращении. Разработка фотоактивных мицелл на водной основе, способных стимулировать химические реакции, предлагает более безопасную и экологичную альтернативу. Кроме того, систему мицеллярного фотокатализа можно использовать повторно, что делает ее еще более экономичной и безопасной.
Недавно мы рассказали о том, как изобретатель предложил делать лекарства из нечистот.
