قد تساعد المحفزات التي تعمل بضوء جديد في تقديم الالتماس

كمبريدج ، ماساتشوستس – يوفر أداة قوية للكيميائيين لتصميم طرق جديدة لإنتاج تفاعلات كيميائية مدفوعة بالضوء ، وأدوية ومركبات أخرى مفيدة. هناك حاجة إلى محفزات التمثيل الضوئي لاستخدام هذه الطاقة الضوئية ، التي تمتص الضوء وتحوله إلى تفاعل كيميائي.

طور الكيميائيون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا نوعًا جديدًا من محفزات الشفط الضوئي التي تسهل دمج التفاعلات التي يحركها الضوء في عمليات الإنتاج. على عكس معظم محفزات Photoredox الحالية ، فإن الأنواع الجديدة من المواد غير قابلة للذوبان ، لذا يمكن إعادة استخدامها. يمكن استخدام هذه المحفزات لتغليف الأنابيب ولإجراء تغييرات كيميائية في التفاعلات أثناء تدفقها عبر الأنبوب.

“إعادة تدوير المحفزات هي واحدة من أكبر التحديات التي يجب التغلب عليها من حيث استخدام محفزات التمثيل الضوئي في الإنتاج.

يمكن ضبط المحفزات الجديدة لأداء مجموعة متنوعة من التفاعلات ودمجها في مواد أخرى ، بما في ذلك المنسوجات أو الجزيئات.

تيموثي سواجر ، أستاذ الكيمياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا جون د. ماك آرثر ، المؤلف الرئيسي للمقال ، خرج اليوم. الاتصال الطبيعي. مؤلفو المقال هم عالم الأبحاث في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا Zheng Guo وطالب الدراسات العليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا شاو سيونج لينون لو.

منتجات هجينة

تمتص محفزات Photoretox الفوتونات ثم تستخدم تلك الطاقة الضوئية لتشغيل تفاعل كيميائي ، يمتص الكلوروفيل الموجود في الخلايا النباتية الطاقة من الشمس ويستخدمها لتكوين جزيئات السكر.

طور الكيميائيون فئتين رئيسيتين من محفزات التمثيل الضوئي ، تسمى المحفزات المتجانسة ومتعددة الوظائف. تتكون المحفزات المتجانسة عادة من أصباغ عضوية أو مركبات معدنية ماصة للضوء. من السهل تكوين هذه المحفزات لإجراء تفاعل معين ، ولكن العيب هو أنها تذوب في محلول تفاعل التفاعل. وهذا يعني أنه يمكن إزالتها وإعادة استخدامها بسهولة.

من ناحية أخرى ، فإن الطبقات المتعددة عبارة عن خامات صلبة أو مواد بلورية تشكل صفائح أو هياكل ثلاثية الأبعاد. هذه المكونات لا تذوب ، لذا يمكن استخدامها أكثر من مرة. ومع ذلك ، فإن هذه المحفزات صعبة للغاية لتحقيق التفاعل المطلوب.

للجمع بين مزايا هذين النوعين من المحفزات ، قرر الباحثون دمج الأصباغ في بوليمر صلب لتشكيل محفزات متطابقة. لهذا الاستخدام ، قام الباحثون بتعديل البوليمر الشبيه بالبلاستيك بمسام أصغر ، والتي تم تصميمها مسبقًا لفصل الغازات. في هذه الدراسة ، أظهر الباحثون أنه يمكنهم دمج حوالي عشرة محفزات متطابقة مختلفة في منتجاتهم الهجينة الجديدة ، لكنهم يعتقدون أنها لا تزال تعمل.

يقول ليو: “تتمتع هذه المحفزات الهجينة بإعادة التدوير والمتانة للعديد من المحفزات ، ولكن أيضًا قابلية ضبط الدقة للمحفزات المتجانسة”. “يمكنك دمج الصبغة دون فقدان نشاطها الكيميائي ، بحيث يمكنك الاختيار من بين عشرات الآلاف من تفاعلات التمثيل الضوئي المعروفة بالفعل والحصول على المكافئ غير القابل للذوبان من المحفز الذي تحتاجه.”

وجد الباحثون أن دمج المحفزات في البوليمرات ساعد في جعلها أكثر كفاءة. أحد الأسباب هو أن جزيئات التفاعل في مسام البوليمر جاهزة للتفاعل. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للطاقة الضوئية أن تنتقل بسهولة مع البوليمر وتكتشف التفاعلات المنتظرة.

يقول Swagger: “تقوم البوليمرات الجديدة بربط الجزيئات من المحلول وتعجل التفاعل بشكل فعال”. “علاوة على ذلك ، يمكن للحالات المثارة أن تتحرك بسرعة في جميع أنحاء البوليمر. ينتج عن الحركة المشتركة للحالة المثارة ومشاركة التفاعلات في البوليمر تفاعلات أسرع وأكثر كفاءة مما هو ممكن في عمليات المحلول النقي.

أداء عالي

أظهر الباحثون أيضًا أنه يمكنهم تعديل الخصائص الفيزيائية للعمود الفقري للبوليمر ، بما في ذلك المسامية ، اعتمادًا على التطبيق الذي يرغبون في استخدام المحفز من أجله.

على سبيل المثال ، أظهروا أنه يمكنهم تكوين بوليمرات مفلورة تلتصق ببعضها البعض باستخدام أنابيب مفلورة ، والتي غالبًا ما تستخدم لإنتاج التدفق المستمر. خلال هذا النوع من الإنتاج ، تتدفق التفاعلات الكيميائية عبر الأنابيب المستمرة مع إضافة مواد جديدة ، أو يتم تنفيذ خطوات أخرى مثل التكرير أو الفصل.

حاليًا ، يعد دمج تفاعلات السموم الضوئية في عمليات التدفق المستمر أمرًا صعبًا نظرًا لاستخدام المحفزات بسرعة وبالتالي يجب إضافتها باستمرار إلى المحلول. سيسمح دمج المحفزات الجديدة المصممة من قبل معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في الأنابيب المستخدمة لهذا النوع من الإنتاج بتفاعلات التمثيل الضوئي أثناء التدفق المستمر. الأنبوب واضح ، مما يسمح للضوء من مصابيح LED بالوصول إلى المحفزات وتفعيلها.

“الفكرة هي أن غلاف المحفز يجب أن يحتوي على أنبوب ، بحيث يمكنك دفع رد فعلك عبر الأنبوب أثناء وجود المحفز. وبهذه الطريقة ، لن تحصل أبدًا على المحفز الذي ينتهي به المطاف في المنتج ، ويمكنك الحصول على المزيد يقول ليو.

يمكن أيضًا استخدام المحفزات لتغليف الخرزات المغناطيسية ، مما يسهل استخلاصها من المحلول عند اكتمال التفاعل ، أو لتغليف زجاجات التفاعل أو المنسوجات. يشارك الباحثون الآن في هندسة البوليمرات من خلال دمج أنواع مختلفة من المحفزات في بوليمراتهم وتحسينها لمختلف التطبيقات المحتملة.

###

تم تمويل البحث من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم ومبادرة رقابة جامعة الملك عبدالله.