Warszawscy badacze razem ze swoimi kolegami ze Słowenii opracowali prosty sposób pozyskiwania nowego typu soli srebra z łatwo dostępnych substratów. Związek ten jest niezwykle silnym reagentem i może znaleźć zastosowanie w przemyśle petrochemicznym i farmaceutycznym oraz w sektorze utylizacji odpadów czy ubocznych produktów powstających w procesach przemysłowych.
Za odkryciem stoi zespół naukowców z Centrum Nowych Technologii Uniwersytetu Warszawskiego (CeNT UW) oraz Instytutu Jožefa Stefana w Lublanie. Uczeni odkryli siarczan zawierający dwuwartościowe srebro. W przypadku tej soli dwuwartościowość srebra oznacza bardzo silną reaktywność, co pozwala wykorzystać ten związek do przeprowadzania różnego rodzaju reakcji chemicznych, które są trudne, kosztowne lub niemożliwe do przeprowadzenia.
Ważne odkrycie
W opinii naukowców to bardzo ważne odkrycie dla przemysłu opartego na chemii organicznej, bo, jak już wspomniano, związek ten jest wybitne silnym reagentem. Można go stosować w przemyśle bez konieczności stwarzania wyśrubowanych warunków fizycznych, a w dodatku pozyskuje się go w prosty sposób z łatwo dostępnych substratów.
Potencjalnie taką sól można wykorzystać w przemyśle petrochemicznym i farmaceutycznym oraz w tych obszarach, w których ważną rolę odgrywa chemia organiczna. Sól ta może również znaleźć zastosowanie w sektorze specjalizującym się w utylizacji odpadów czy ubocznych produktów powstających w procesach przemysłowych.
Cząsteczki organiczne z natury wykazują niską reaktywność, a to oznacza, że do przeprowadzania określonych typów reakcji z ich udziałem trzeba zastosować rozmaite środki – użyć katalizatorów lub zapewnić określone warunki fizyczne, bez których przeprowadzenie reakcji nie jest możliwe. To powoduje, że wiele procesów w chemii organicznej wymaga kilkuetapowego działania i ponoszenia stosunkowo dużych nakładów finansowych, co zwiększa koszty produkcji i ceny finalnych produktów.
– Z perspektywy przemysłu opartego na chemii organicznej odkryliśmy coś bardzo poszukiwanego i pożądanego. Nauczyliśmy się syntetyzować w prosty sposób sól dwuwartościowego srebra, która jest tak silnym reagentem, że działa jak inicjator reakcji. Wystarczy jej minimalna ilość, by cząsteczki organiczne zaczęły z sobą wchodzić w reakcje. Co więcej, ten związek działa silniej od wielu dotychczas znanych katalizatorów czy inicjatorów wykorzystywanych w przemyśle zajmującym się chemią organiczną – mówi prof. dr hab. Wojciech Grochala z CeNT UW.
Reakcja łańcuchowa w chemii organicznej
Skąd tak wysoka reaktywność odkrytego związku? Ten rodzaj siarczanu srebra charakteryzuje niedobór jednego elektronu. To powoduje, że związek ten jest w stanie silnej nierównowagi i że jego cząsteczki poszukują możliwości wyrównania swojego potencjału. Bilansowanie odbywa się poprzez wyrywanie elektronów innym cząsteczkom, które taki siarczan napotka na swej drodze.
– Gdy cząsteczka soli odbierze elektron cząsteczce organicznej, ta druga staje się silnym reagentem, kationem-rodnikiem, i teraz ona poszukuje możliwości odebrania elektronu. W ten sposób startuje proces, w którym kolejnymi ofiarami kradzieży elektronów są substraty w przeprowadzanej reakcji chemicznej. Po zainicjowaniu przez siarczan srebra takiego procesu, dalej postępuje on samoistnie. W przypadku naszego odkrycia sól srebra zapoczątkowuje więc rodzaj reakcji łańcuchowej, w której cząsteczki organiczne reagują same między sobą, odbierając sobie elektrony, co w rezultacie prowadzi do wykształcenia nowych związków organicznych. Stosując przenośnię, zjawisko przypomina użycie jednej zapałki do rozpalenia wielkiego ogniska. My nie tylko odkryliśmy taką zapałkę, ale również wiemy, jak wyprodukować ją w sposób prosty i niedrogi – wyjaśnia prof. dr hab. Wojciech Grochala.
Nowa sól srebra przynosi korzyści istotne dla przemysłu. Najważniejszą jest ta, że związek ten można stosować „poza boksem”, a więc w normalnych warunkach atmosferycznych, w pokojowej temperaturze, bez użycia jakichkolwiek środków ochronnych. Brak konieczności stwarzania specjalnych warunków do przeprowadzenia reakcji oznacza potencjalnie łatwiejsze wdrożenie tego reagentu w liniach produkcyjnych.
– Zazwyczaj silne reagenty trzeba przechowywać w bezwodnej atmosferze ochronnej, ponieważ natychmiast tracą one swoje właściwości w kontakcie z parą wodną znajdującą się w powietrzu. To w naturalny sposób ogranicza ich zastosowanie i podnosi koszty prowadzenia reakcji chemicznych. Odkryta przez nas sól omija ten problem, ponieważ w kontakcie z powietrzem zamienia się w hydrat, który nie traci swoich właściwości reaktywnych. W takim hydracie wciąż jest dwuwartościowe srebro gotowe do wchodzenia w reakcje z innymi cząsteczkami – dodaje prof. dr hab. Wojciech Grochala.
Zdaniem naukowca właśnie ta właściwość umożliwia przeprowadzanie reakcji chemicznych, które dotychczas były skomplikowane i kosztowne w sposób prosty, techniką one-pot.
Prosty i tani sposób wytwarzania
Inną zaletą siarczanu dwuwartościowego srebra jest łatwy sposób jego wytwarzania. Powstaje on w zwykłym procesie elektrolizy, gdzie roztworem jest kwas siarkowy – powszechnie stosowany substrat przemysłowy. Jak podkreślają naukowcy z UW, trudniej o łatwiejszy i tańszy sposób syntezy. Co więcej, srebro, które jest najdroższym składnikiem reagentu, po wykorzystaniu w procesach chemicznych, można w stu procentach odzyskać do ponownego użycia. Nie ma więc mowy o jakichkolwiek materiałowych stratach surowca.
Kolejną zaletą odkrytej soli jest jej siła, a więc zdolność do wzbudzania reakcji chemicznych. Ma to wielkie znaczenie właśnie w chemii organicznej, gdzie do wyzwolenia określonych reakcji potrzeba wysokiego potencjału. Reakcje w chemii organicznej wyznacza poziom współczynnika jonizacji cząsteczek. – Wiele substratów organicznych określa się mianem inertnych, co w praktyce oznacza, że ich cząsteczki nie są chętne do oddania swoich elektronów reagentom. Przemysł oczywiście dysponuje szeregiem związków, które w zależności od potrzeb wymuszają przeprowadzanie różnego rodzaju reakcji organicznych, ale moc takich reagentów jest ściśle powiązana z kosztami. Narzędzia bardzo mocne są potwornie drogie. W naszym przypadku mówimy o odkryciu narzędzia o potężnej mocy, którego synteza i warunki przechowywania w odniesieniu do związków wykorzystywanych w przemyśle, są śmiesznie tanie. Udowodniliśmy, że nasz siarczan srebra ma większą moc pobudzania cząsteczek organicznych od większość tych, które są dziś stosowane w przemyśle – mówi prof. dr hab. Wojciech Grochala.
Czas na prace wdrożeniowe
Opracowany związek potencjalnie może mieć wiele zastosowań. Może służyć do tworzenia oligomerów i polimerów, substratów wykorzystywanych w produkcji leków, barwników czy produktów chemii gospodarczej i przemysłowej. Dzięki niemu z pewnością można projektować zupełnie nowe związki organiczne i nieorganiczne, których właściwości nie są dziś jeszcze znane. Również ważnym zastosowaniem może być przetwarzanie produktów, w tym odpadów w przemyśle petrochemicznym.
– Odkrycie jest na tyle interesujące dla przemysłu, że stosunkowo szybko powinno znaleźć praktyczne zastosowanie. Jako uniwersytet chcemy przeprowadzić komercjalizację tego rozwiązania, które z perspektywy gotowości technologicznej jest już gotowe do wdrożenia. Aby tak się stało, konieczne jest możliwie szerokie testowanie tej soli srebra na różnych liniach przemysłowych w różnych sektorach. Naukowcy opracowali potencjalnie skuteczne i silne narzędzie, natomiast jego odkrycie otwiera przed nami pewnego rodzaju terra incognito i teraz to głównie przemysł powinien mieć swój udział w tworzeniu katalogu jego zastosowań. Na wielu polach wynalazek może przyczynić się do znaczącej poprawy ekonomiki produkcji, ale zdobycie szczegółowej wiedzy na ten temat wymaga zaangażowania przemysłu w dalsze prace badawcze o charakterze wdrożeniowym – powiedział dyrektor Centrum Transferu Technologii i Wiedzy UW., dr hab. inż. Przemysław Dubel, prof. ucz.
Zarówno metoda wytwarzania siarczanu dwuwartościowego srebra jak i jego wykorzystanie objęte zostały ochroną własności intelektualnej w Polsce i za granicą.
Źródło: Uniwersytet Warszawski, fot. PxHere/ CC0
