ทำความเข้าใจและการศึกษาธีม

หากพิสูจน์ได้ว่ามีประสิทธิภาพในการทดลองขนาดใหญ่ ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เสถียรและค่อนข้างเรียบง่ายอาจส่งผลกระทบต่ออุตสาหกรรมยามูลค่า 100 พันล้านดอลลาร์ โดยช่วยคัดแยกสารเคมีที่มีศักยภาพทางชีวภาพจากเพื่อนร่วมชาติที่เกี่ยวข้องแต่มีประโยชน์น้อยกว่าหรือแม้แต่เป็นพิษ Jay Switzer และเพื่อนร่วมงานที่ University of Missouri at Rolla ประกาศการค้นพบของพวกเขาในวารสาร Nature ฉบับวันที่ 2 ตุลาคม 2546 การวิจัยได้รับทุนสนับสนุนหลักจากแผนกเคมีและแผนกวิจัยวัสดุของมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ (NSF) ซึ่งเป็นหน่วยงานอิสระของรัฐบาลกลางที่สนับสนุนการวิจัยและการศึกษาในสาขาวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ทุกแขนง วัสดุใหม่ซึ่งเป็นฟิล์มทองแดงออกไซด์บาง ๆ บนชั้นของทองคำมี "ความถนัดมือ" โดยธรรมชาติ เช่นเดียวกับที่มือของมนุษย์มีทั้งมือซ้ายและมือขวา โมเลกุลบางชนิดก็เช่นกัน “มันเหมือนกับความแตกต่างระหว่างการจับมือระหว่างคนถนัดขวาหรือถนัดซ้าย” ไมค์ คลาร์ก เจ้าหน้าที่โครงการ NSF และผู้เชี่ยวชาญด้านเคมีกล่าว "ตัวล็อคมือจะง่ายกว่ามากหากเป็นแบบขวา-ขวาหรือซ้าย-ซ้าย และจะยากขึ้นหากเป็นแบบขวา-ซ้ายหรือซ้าย-ขวา" คุณสมบัติความถนัดที่เรียกว่า "chirality" นั้นเกี่ยวข้องโดยพื้นฐานกับวิธีที่โมเลกุลทำปฏิกิริยากับสารอื่นๆ ประมาณหนึ่งในสามของยาทั้งหมดเป็นยาไครัล Switzer กล่าว และ 10 อันดับแรกของผลิตภัณฑ์เหล่านี้รวมถึงชื่อแบรนด์ที่คุ้นเคย เช่น Lipitor, Zocor, Paxil, Zoloft และ Nexium ซึ่งทั้งหมดนี้ให้ยอดขายมากกว่า 1 พันล้านดอลลาร์ ปี. ปัจจุบัน อุตสาหกรรมส่วนใหญ่สร้างโมเลกุลไครัลในปริมาณมากโดยการผสมโมเลกุลด้วยมือและสารเคมีอื่นๆ ในสารละลาย นักเคมี Katherine Covert หนึ่งในเจ้าหน้าที่โครงการ NSF ที่ดูแลเงินทุนสนับสนุนการวิจัยของ Switzer กล่าวว่า "มือ" ธีม รวบรวมอะตอม ประกอบเป็น chiral และ "ถุงมือ" ระดับโมเลกุล "แต่การแยก 'ถุงมือ' ที่มีประโยชน์ออกจากสารเคมีที่ประกอบกันเป็นกระบวนการที่ยาก" เธอกล่าวเสริม Switzer และเพื่อนร่วมงานของเขาได้สร้างวัสดุที่ทำหน้าที่เป็นธนาคารของ "มือ" ซึ่งเป็นโครงสร้างที่มั่นคงซึ่งปฏิกิริยาสามารถเกิดขึ้นได้และนักวิจัยสามารถแยกสารเคมีที่ต้องการได้ง่ายขึ้น ในการทำเช่นนี้ กลุ่มได้ใช้ทาร์เทรต ซึ่งเป็นสารทั่วไปที่มักจะตกผลึกที่ด้านล่างของจุกไวน์ ในปี พ.ศ. 2391 เมื่อหลุยส์ ปาสเตอร์อายุ 26 ปี เขาใช้แหนบแยกโซเดียมแอมโมเนียมทาร์เทรตในรูปแบบขวามือและซ้ายภายใต้กล้องจุลทรรศน์ "คริสตัลมีรูปร่างที่แตกต่างกัน" Switzer กล่าว "เมื่อ Pasteur ละลายผลึกในน้ำ ชุดหนึ่งจะหมุนแสงโพลาไรซ์ไปทางขวา และอีกรูปแบบหนึ่งจะหมุนไปทางซ้าย การทดลองนี้มักถูกอ้างถึงว่าเป็นการค้นพบ chirality ในโมเลกุล" เขากล่าวเสริม ทาร์เทรตจึงเป็นโมเลกุลตัวแรกที่ถูกแยกออกในรูปแบบคนถนัดขวาและมือซ้าย ซึ่งปัจจุบันนักเคมีเรียกว่ารูปแบบ R (จากภาษาละติน rectus) และ S (จากภาษาละตินรูปอุบาทว์) Switzer กล่าวว่า "เราได้สร้างวัสดุที่เป็นไครัลทั้งหมด ไม่ใช่แค่พื้นผิว" Switzer กล่าว "ในการทดลองก่อนหน้านี้ คุณจะปรับแต่งพื้นผิวด้วยสารปรับสภาพแบบไครัล และหากสารถูกชะล้างออกไป พื้นผิวจะไม่มีประสิทธิภาพอีกต่อไป ในการวิจัยใหม่ของเรา ตัวฟิล์มเองก็เป็นแบบไครัล ประสิทธิภาพยังคงอยู่แม้หลังจากเกิดปฏิกิริยาเคมีหลายครั้ง ," เขาเพิ่ม. ในการสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่นี้ นักวิจัยได้จุ่มทองคำลงในของเหลวที่มีทองแดงและทาร์เทรตที่มีสารเคมีอยู่ในมือ ขณะที่ใช้กระแสไฟฟ้ากับระบบ กระแสไฟฟ้าทำให้คอปเปอร์ออกไซด์จับกับทองคำ เทคนิคนี้เหมือนกับการชุบด้วยไฟฟ้าอย่างง่ายที่ใช้ในการผลิตโครเมียมที่แวววาวบนรถยนต์ อะตอมของทองคำถูกจัดเรียงอย่างเป็นระเบียบในโครงสร้างคริสตัล แต่โครงสร้างนั้นสมมาตรและไม่ส่งผลต่อความถนัดมือขั้นสุดท้ายของวัสดุ แต่โครงสร้างไครัลของโมเลกุลทาร์เทรตทำให้คอปเปอร์ออกไซด์จับกับทองคำทีละชั้นและในลักษณะเชิงเส้น ทำให้เกิดฟิล์มที่ใช้มือ เมื่อฟิล์มทองแดงออกไซด์ก่อตัวขึ้น อะตอมของทองแดงและออกซิเจนจะยึดติดแน่นและมีอยู่เป็นวัสดุเดียว ในการทดสอบเบื้องต้น นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าวัสดุนี้สามารถแยกความแตกต่างระหว่างไครัลทาร์เทรตได้โดยไม่ทำลายลงหรือเปลี่ยนแปลงอย่างถาวร การทดสอบที่รอดำเนินการจะใช้เทคนิคเดียวกันกับกรดอะมิโนและน้ำตาล เช่น กลูโคส ตอนนี้ Switzer และเพื่อนร่วมงานของเขาหวังว่าจะใช้กระบวนการของพวกเขาเพื่อสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่และแยกสารเคมีต่างๆ นอกเหนือจากการใช้งานในอุตสาหกรรมจำนวนมาก นักวิจัยยังหวังว่าตัวเร่งปฏิกิริยาที่คล้ายกันอาจได้รับการแก้ไขเพื่อสร้างเซ็นเซอร์สำหรับการใช้งานด้านความปลอดภัยในที่สุด