Industrije i hemijske laboratorije svaki dan sintetišu širok spektar organskih molekula. Većina ovih hemijskih reakcija se dešava u tečnoj fazi kako bi se omogućila laka interakcija supstrata. Međutim, mnogi supstrati i katalizatori su osetljivi na vodu i podležu sporednim reakcijama, dajući neželjene proizvode.
Ovo primorava sintetičke hemičare da koriste toksične organske rastvarače. Više od 80% otpada koji nastaje u hemijskim procesima potiče od takvih rastvarača—i ne odlaže se sav na odgovarajući način.
Tim istraživača sa Odeljenja za neorgansku i fizičku hemiju (IPC), Indijskog instituta za nauku (IISc) je sada došao do rešenja. Oni su sintetizovali surfaktant iz poljoprivrednog otpada kako bi pomogli u katalizaciji industrijski relevantnih reakcija u vodi umesto u organskim rastvaračima, kroz proces koji se naziva micelarna kataliza. Studija je objavljena u časopisu ACS održiva hemija i inženjerstvo.
Surfaktant koji su dizajnirali, nazvan CNSL-1000-M, potiče od tečnosti ljuske indijskog oraha (CNSL), poljoprivrednog otpada koji nastaje tokom pečenja indijskih oraščića za odvajanje jezgra. „Pošto smo imali za cilj da zamenimo organske rastvarače, smatrali smo da zamena mora biti na biološkoj bazi“, objašnjava Pritesh Keshari, prvi autor i dr. student IPC. Indija je drugi najveći proizvođač indijskih oraščića na svetu, stoga je sirovinu lako i jeftino nabaviti.
Surfaktanti su molekuli koji imaju vodu koja voli (hidrofilnu) kao i vodoodbojnu (hidrofobnu) komponentu. Istraživači su kombinovali kardanol, hidrofobno jedinjenje pronađeno u CNSL-u, sa m-PEG, hidrofilnim polimerom, da bi stvorili svoj surfaktant.
Kada se dodaju vodi, molekuli surfaktanta se brzo samosastavljaju i formiraju male, sferične strukture koje se nazivaju micele. Hidrofobni delovi surfaktanta se okreću ka unutra, dalje od vode napolju, formirajući džep bez vode. Supstrati i katalizatori poput kompleksa nikla, koji su normalno osetljivi na vodu, mogu da se kreću unutar ovih micelnih džepova i ostanu zaštićeni.
„Pretpostavimo da uronite fudbalsku loptu u ribnjak ili more. Sve dok lopta ne curi, ona ostaje da pluta bez vode koja ulazi u loptu“, objašnjava Susanta Hazra, docent na IPC-u i odgovarajući autor studije.
„Koristimo istu analogiju za micelarnu katalizu. Kada supstrat uđe unutar micele, on se odvaja i proizvod reakcije od vode u masi – i tu se dešava hemija.“ Ova micelarna kataliza oponaša biološke sisteme — mnogi prirodni enzimi imaju hidrofobni džep sličan onom u micelama.
Tim je koristio svoj surfaktant da katalizuje formiranje veza ugljenik-fosfor, što je industrijski važan korak koji se koristi za pravljenje mnogih jedinjenja uključujući agens protiv raka Brigatinib i organske LED diode. CNSL-1000-M je doveo do 80% većeg prinosa proizvoda u vodi u poređenju sa reakcijama sprovedenim u organskim rastvaračima.
U poređenju sa postojećim surfaktantima, novi surfaktant je takođe dao 30% veći prinos za reakcije sprovedene u vodi. Korišćenje surfaktanta takođe može pomoći u zameni skupih katalizatora poput paladijuma jeftinim kompleksima nikla i olakšati reakcije na nižim temperaturama.
Istraživači žele da rade sa industrijama kako bi omogućili prelazak sa upotrebe toksičnih organskih rastvarača na vodenu micelarnu tehnologiju kao održivu i zelenu alternativu. „Nadamo se da ćemo detaljnije proučavati micelarnu hemiju i koristiti našu tehnologiju na industrijskom nivou“, kaže Hazra.
„Umesto da pravimo nove surfaktante za različite vrste reakcija, naš cilj je da koristimo isti surfaktant kao opšti reakcioni medijum za sve moguće reakcije i hemijske transformacije, jer je to bolje za održivost.“
