Prace nad stworzeniem bardziej ekologicznych rozpuszczalników
Produkcja wielu produktów codziennego użytku - szamponów do włosów, tworzyw sztucznych czy leków - opiera się na reakcjach chemicznych. Reakcje syntezy organicznej wymagają użycia rozpuszczalników, które tradycyjnie wytwarza się z paliw kopalnych, w tym ropy naftowej i gazu. Na horyzoncie widać jednak bardziej ekologiczne rozwiązanie. Nowoczesne rozpuszczalniki pochodzenia roślinnego mogą ograniczyć naszą zależność od paliw kopalnych, jednak brak badań nad ich właściwościami reakcyjnymi spowalnia ich popularyzację. „Luka w wiedzy wynika głównie z tego, że rozpuszczalniki pochodzenia biologicznego są stosunkowo nowym zjawiskiem i nie zostały jeszcze poddane systematycznym badaniom z wykorzystaniem ilościowych metod fizykochemicznych”, wyjaśnia Armin R. Ofial, kierownik grupy badawczej w LMU Monachium(odnośnik otworzy się w nowym oknie). W ramach projektu ResolveByBio, który został zrealizowany dzięki wsparciu ze środków działania „Maria Skłodowska-Curie”(odnośnik otworzy się w nowym oknie), Ofial wraz z zespołem starali się wypełnić tę lukę, gromadząc dane dotyczące reakcji elektrofilowo-nukleofilowych w rozpuszczalnikach pochodzenia biologicznego. Reakcje te polegają na tworzeniu nowych cząsteczek poprzez połączenie dwóch reagujących substancji za pomocą nowego wiązania chemicznego. Nukleofil bogaty w elektrony dzieli jedną parę elektronów z elektrofilem ubogim w elektrony, co tworzy nowe wiązanie. „Kluczowym aspektem projektu jest fakt, że łączy podstawowe zagadnienia fizyki chemii organicznej z rzeczywistymi wyzwaniami związanymi z ekologią”, dodaje Ofial. „Dzięki połączeniu analizy kinetycznej, spektroskopii i wyników badań obliczeniowych nasze analizy nie tylko poszerzają wiedzę naukową, ale także dostarczają praktycznych narzędzi na potrzeby bardziej ekologicznej syntezy chemicznej”.
Badanie reakcji elektrofilowo-nukleofilowych
Reaktywność nukleofilów jest zależna od rozpuszczalnika, w którym zachodzą reakcje. Zespół projektu ResolveByBio skupił się na ilościowym określeniu reaktywności nukleofilów w rozpuszczalnikach pochodzenia biologicznego przy użyciu spektroskopii czasowo-rozdzielczej. „Prace polegały na monitorowaniu szybkości rozkładu barwnych, elektrofilowych partnerów reakcji w kontrolowanych warunkach”, wyjaśnia Ofial. Naukowcy przeprowadzili doświadczenia w celu ustalenia szybkości przebiegu reakcji w rozpuszczalnikach pochodzenia roślinnego. Następnie przeprowadzili analizę matematyczną wyników, by obliczyć wskaźniki reaktywności poszczególnych nukleofilów. „W ten sposób nowe dane dotyczące reaktywności ważnych klas nukleofilów, takich jak fosfiny i enaminy, w rozpuszczalnikach pochodzenia biologicznego mogą zostać zestawione z obecnie najbardziej kompleksową skalą reaktywności reakcji polarnych”, zauważa Ofial. Skala Mayra dotychczas uwzględniała jedynie wartości reaktywności nukleofilów w tradycyjnych rozpuszczalnikach otrzymywanych z paliw kopalnych oraz w roztworach wodnych.
Poszerzanie wiedzy na temat rozpuszczalników pochodzenia roślinnego
Wyniki jednego z badań wskazują, że azotki winylu(odnośnik otworzy się w nowym oknie) reagowały szybciej w odnawialnym rozpuszczalniku pochodzenia biologicznego - Cyrene™(odnośnik otworzy się w nowym oknie) niż w dichlorometanie, czyli rozpuszczalniku otrzymywanym z paliw kopalnych. „Rezultat ten dowodzi, że rozpuszczalniki pochodzenia biologicznego mają szereg korzyści - nie tylko zastępują dotychczasowe rozpuszczalniki na bazie paliw kopalnych, ale czasami mogą zapewniać dodatkową korzyść w postaci skrócenia czasu reakcji”, zauważa Ofial.
Wspieranie zrównoważonej transformacji unijnego sektora chemicznego
Zespół projektu opracował szereg danych niezbędnych do zastąpienia niebezpiecznych rozpuszczalników otrzymywanych z paliw kopalnych zrównoważonymi alternatywami oraz umożliwiających naukowcom prognozowanie czasu trwania reakcji w rozpuszczalnikach pochodzenia biologicznego. „To eliminuje jedną z głównych przeszkód utrudniających wdrożenie tych rozwiązań w przemyśle”, zauważa Ofial. „Wszystko to przekłada się na realizację unijnej strategii zrównoważonego projektowania i wspiera przejście na bezpieczniejsze, niskoemisyjne procesy chemiczne oraz ogólną redukcję ilości odpadów przemysłowych”. Badacze planują obecnie rozszerzenie zakresu badań o dodatkowe reakcje i rozpuszczalniki, co może pomóc w opracowywaniu nowych produktów, które będą dzięki temu bardziej przyjazne dla środowiska. „Celem tych prac jest wykorzystanie wniosków w roli narzędzi usprawniających prace nad praktycznymi rozwiązaniami, w tym nad syntezą cząstek funkcjonalnych przy użyciu ekologicznych rozpuszczalników”, podsumowuje Ofial.