Исследователи из Университета Райс разработали новый метод проведения химических реакций, используя воду вместо токсичных растворителей. Ученые создали микроскопические реакторы, способные запускать химические процессы под воздействием света. Для этого они разработали металлические комплексные сурфактанты (MeCSs), которые самостоятельно собираются в нанометровые сферы, называемые мицеллами. Эта инновация может значительно сократить загрязнение окружающей среды в таких отраслях, как фармацевтика и материаловедение, где обычно используются вредные органические растворители.
Новая мицеллярная технология представляет собой шаг вперед в области устойчивой химии. Эти самособирающиеся мицеллы формируются в воде, а их гидрофобные ядра создают уникальную среду для химических реакций, даже с материалами, которые обычно не растворяются в воде. Команда исследователей под руководством Анхеля Марти, профессора и заведующего кафедрой химии в Университете Райс, доказала, что эта система способна эффективно проводить фотокаталитические реакции, устраняя необходимость в использовании опасных веществ.
Исследование опубликовано в журнале Chemical Science.
«Наши результаты показывают, насколько мощным инструментом может быть молекулярный дизайн в решении задач устойчивого развития химии, при этом сохраняя высокую эффективность реакций», — отметил Марти. «Мы создали технологию, которая может изменить подход к проведению химических реакций, снизив вред для окружающей среды и повысив их эффективность».
Как работает это открытие
Сурфактанты — это молекулы с двойственной природой: одна их часть притягивается к воде, а другая отталкивает её. При добавлении в воду они естественным образом формируют мицеллы — крошечные сферы, в которых водоотталкивающие части собираются в центре, создавая небольшое пространство для химических реакций.
Учёные модифицировали эти сурфактанты, добавив в их структуру светочувствительный металлический комплекс, благодаря чему и были созданы MeCSs.
Исследователи протестировали различные версии MeCSs, изменяя длину их гидрофобных (водоотталкивающих) хвостов. Они обнаружили, что такие молекулы могут формировать мицеллы размером всего 5–6 нанометров, что значительно меньше аналогичных систем. Используя эти мицеллы, команда провела фотокаталитическую реакцию, добившись высокой эффективности без применения вредных растворителей.
«Эти мицеллы действуют как крошечные реакционные сосуды», — объясняет Ин Чэнь, ведущий автор исследования и аспирант кафедры химии Университета Райс. «Они позволяют проводить химические превращения, которые обычно не работают в воде, и при этом являются более экологичным решением по сравнению с традиционными методами».
Во многих производственных и научных процессах используются органические растворители, которые вредны для окружающей среды и требуют дорогостоящей утилизации. Разработка фоточувствительных водных мицелл, способных запускать химические реакции, предлагает более безопасную и экологичную альтернативу. Кроме того, систему можно использовать повторно, что делает её экономически выгодной и снижает воздействие на окружающую среду.
Авторами исследования также стали Ши-Чи Као и Джулиан Уэст из кафедры химии Университета Райс; Азия Мататьягу Я’акоби и Йешаяху Талмон из Техниона – Израильского технологического института; а также Тао Ви Нгуен и Сибани Лиза Бисвал из кафедры химической и биомолекулярной инженерии Университета Райс.