กลศาสตร์อาจช่วยให้เราบรรลุปฏิกิริยาที่ "เป็นไปไม่ได้"

เคมีแบบดั้งเดิมคือดังนั้นปีที่แล้ว ยินดีต้อนรับสู่โลกแห่งกลศาสตร์เคมี ที่ซึ่งปฏิกิริยาที่คิดว่าเป็นไปไม่ได้ เป็นเช่นนั้นจริงๆเป็นเป็นไปไม่ได้เมื่อพยายามด้วยวิธีเดิมๆ - เป็นไปได้ และที่ซึ่งเส้นทางการสำรวจใหม่ล่าสุดกำลังเปิดกว้างขึ้น

แม้ว่าครั้งสุดท้ายที่คุณเข้าห้องแล็บเคมีจะเป็นย้อนกลับไปสมัยมัธยมปลาย คุณคงจำได้ว่าใช้เวลามากมายในการผสมของเหลวต่างๆ เข้าด้วยกัน – อาจจะเหนือเตาแผดเผาที่เชื่อถือได้ – รอคอยอย่างใจจดใจจ่อเกิดขึ้น เช่น สีที่เปลี่ยนไป หรือมีตะกอนผงเกิดขึ้น

มากมายมักเรียกหาตัวทำละลาย และการเลือกตัวทำละลายที่ถูกต้องตามวัตถุประสงค์ของคุณเป็นส่วนสำคัญของกระบวนการ แต่มีวิธีที่จะทำให้สารทั้งสองมีปฏิกิริยาโต้ตอบกันโดยไม่ต้องละลายก่อน วิธีแรกคือการใส่แรงทางกลเข้าไปในส่วนผสมที่เรียกว่ากลศาสตร์เคมี

“เคมีที่แปลกใหม่”

“แม้ว่า WH Ostwald จะถูกนำมาใช้ในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 แต่เคมีกลศาสตร์ก็มักถูกมองว่าเป็นเคมีที่แปลกใหม่” ผู้เขียนหนังสือรีวิวปี 2022ในเรื่อง “นี่เริ่มมีการเปลี่ยนแปลง”

โดยปกติแล้ว พลังงานที่จำเป็นในการเติมเชื้อเพลิงให้กับปฏิกิริยาเคมีจะมาจากการเติมแสง ความร้อน และ/หรือไฟฟ้า “พลังงานเกือบทุกชนิดสามารถนำไปใช้เพื่อเริ่มต้นปฏิกิริยาเคมีหรือเพื่อให้ความร้อนแก่ส่วนผสมของปฏิกิริยา” อธิบายกระดาษปี 2554- แทนที่จะเป็นอย่างใดอย่างหนึ่งเหล่านี้กลศาสตร์ต้องอาศัยแรงทางกล เช่น การบดสารที่เป็นของแข็งสองชนิดทางกายภาพด้วยครกและสาก

ข้อดีของวิธีนี้ได้แก่ ใช้ได้กับของแข็งที่ไม่ละลายน้ำได้จริง หรือในกรณีที่การใช้ตัวทำละลายอาจรบกวนปฏิกิริยา (หรืออาจเป็นแก่ผู้ทดลองที่เป็นมนุษย์)

เช่นเดียวกับครกและสาก ซึ่งเป็นของเก่าแต่ยังใช้ได้ดีอยู่ มีเครื่องมือที่ทันสมัยกว่าเล็กน้อยสำหรับนักกลศาสตร์ที่ชาญฉลาดในปัจจุบัน โรงสีลูกกลมเป็นตัวเลือกที่ใช้กันทั่วไป โดยเครื่องบดขนาดใหญ่ที่เต็มไปด้วยลูกบอลแข็งที่จะทุบวัสดุที่เลือกให้เป็นอนุภาคขนาดเล็ก พวกนี้เข้ามา.หลากหลายประเภท– ด้วยวัสดุการกัดที่แตกต่างกัน ความถี่ในการหมุน ฯลฯ – เพื่อให้คุณสามารถปรับแต่งให้เข้ากับการทดลองเฉพาะของคุณได้ การใช้เครื่องจักรแทนที่จะอาศัยความสามารถในการบดของมนุษย์ หมายความว่าคุณจะได้ผลลัพธ์ที่สม่ำเสมอมากขึ้น

ทุกอย่างฟังดูค่อนข้างง่าย – ผสมสองสิ่งเข้าด้วยกันด้วยแรงที่เพียงพอและอาจเกิดปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้น – แต่ความจริงก็คือมีความซับซ้อนมากมายเกิดขึ้นเบื้องล่าง หลายอย่างยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างถ่องแท้

“การทำความเข้าใจการเปลี่ยนแปลงทางเคมีกลศาสตร์เป็นงานที่เป็นปัญหา เนื่องจากความแตกต่างอย่างมากระหว่างเคมีของสารละลายทั่วไปและเคมีที่กระตุ้นโดยแรงกล” อ่านรายงานทบทวนปี 2022

มีการศึกษาใน2019พยายามเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับสิ่งที่เกิดขึ้นจริงกับอนุภาคเมื่อสสารเกิดปฏิกิริยาเคมีกลศาสตร์ ทีมงานระหว่างประเทศใช้การสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์เพื่อจำลองการตกผลึกร่วมของแอสไพรินและยาแก้ปวดอีกชนิดหนึ่งชื่อเมลอกซิแคม ซึ่งเผยให้เห็นสิ่งที่พวกเขาอธิบายว่าเป็น "ข้อมูลเชิงลึกใหม่ที่น่าทึ่ง" แม้ว่ายาทั้งสองชนิดจะรวมกันอยู่ในรูปผลึกแข็ง แต่ไม่ได้เติมตัวทำละลาย แต่ก็ต้องใช้พลังงานเพียงเล็กน้อยเท่านั้นในการเริ่มผสม

“สิ่งที่ทำให้ฉันทึ่งคือคริสตัลมีพฤติกรรมเหมือนผงสำหรับอุดรู พวกมันแทบจะดูเหมือนดินน้ำมันและเมื่อสัมผัสกันก็จะไม่มีรูปร่าง เมื่อคุณดึงมันออกจากกัน จะมีคอของโมเลกุลที่เชื่อมต่อกันอยู่ระหว่างคริสตัลทั้งสอง” ศาสตราจารย์ Stuart James ผู้เขียนร่วมกล่าวโลกเคมี-

“ผมเห็นว่าสิ่งนี้ใกล้จะถึงจุดเริ่มต้นของขอบเขตการวิจัยใหม่” เขากล่าวเสริม และดูเหมือนว่าสหภาพเคมีบริสุทธิ์และเคมีประยุกต์นานาชาติ (IUPAC) จะเห็นพ้องต้องกัน โดยตั้งชื่อการอัดขึ้นรูปปฏิกิริยา (AKA กลศาสตร์เคมี) เป็นหนึ่งใน 10 นวัตกรรมทางเคมีที่คาดการณ์ไว้ เพื่อเปลี่ยนแปลงโลกเป็นส่วนหนึ่งของมันการเฉลิมฉลองครบรอบหนึ่งร้อยปี-

อนาคตที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากขึ้น

ปัจจัยขับเคลื่อนประการหนึ่งที่อยู่เบื้องหลังความสนใจที่เพิ่มขึ้นในด้านกลศาสตร์เคมีก็คือสามารถนำมาใช้เพื่อทำให้กระบวนการสังเคราะห์ที่มีอยู่ปลอดภัยและยั่งยืนมากขึ้น

ตัวทำละลายมักประกอบขึ้นเป็นส่วนผสมส่วนใหญ่ของปฏิกิริยา น่าเสียดายที่ตัวทำละลายทางอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ที่เราใช้ไม่มีหนังสือรับรองสีเขียวที่ยอดเยี่ยม-

นอกจากนี้ ข้อเท็จจริงที่ว่าหลายชนิดเป็นอันตรายต่อสุขภาพของมนุษย์ และนำระบบโลจิสติกส์ที่ซับซ้อนในการจัดเก็บและการขนส่งติดตัวไปด้วย และคุณจะเห็นได้อย่างรวดเร็วว่าเหตุใดการสามารถกำจัดตัวทำละลายจึงน่าสนใจ

ปฏิกิริยาเคมีกลอาจก้าวหน้าได้เร็วกว่าปฏิกิริยาทั่วไป ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ

ทั้งหมดนี้กล่าวได้ว่ากลศาสตร์เคมีไม่ใช่วิธีแก้ปัญหาง่ายๆ สำหรับปัญหาทั้งหมดของเรา แต่อาจเป็นส่วนสำคัญในการทำให้เคมี "เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม" มากขึ้น

การทำสิ่งที่เป็นไปไม่ได้ให้เป็นไปได้

อีกแง่มุมหนึ่งของกลศาสตร์เคมีที่สร้างความฮือฮาอย่างแท้จริงก็คือศักยภาพในการเปิดวิธีการสังเคราะห์วัสดุรูปแบบใหม่โดยสิ้นเชิง

“ย้อนกลับไปในทศวรรษ 1990 [...] การศึกษาแสดงให้เห็นว่าปฏิกิริยาที่ได้รับการส่งเสริมทางกลเคมีดำเนินไปตามวิถีการสังเคราะห์ที่แตกต่างจากที่อธิบายไว้ในสารละลาย” การทบทวนในปี 2022 อธิบาย

ผู้เขียนเตือนว่าการใช้กลศาสตร์เคมีเพื่อเพิ่มปฏิกิริยาเคมีและกระบวนการที่เราคุ้นเคยอยู่แล้วเท่านั้นที่จะเป็น “การประมาณค่าต่ำไปอย่างไม่อาจเข้าใจและเป็นความผิดพลาดที่อาจเป็นอันตรายได้”

"โดยสรุป" พวกเขากล่าวเสริม "กลศาสตร์เคมีเป็นโอกาสที่ท้าทายในการสำรวจพื้นที่ทางเคมีที่ไม่เคยมีมาก่อน"

หนึ่งในหลายตัวอย่างเกี่ยวข้องกับประเภทของโมเลกุลที่ได้รับการยอมรับถึงศักยภาพในผลิตภัณฑ์ทางเภสัชกรรมและสารกำจัดวัชพืช:เอ็น-ซัลโฟลกัวนิดีน การสังเคราะห์สารประกอบเหล่านี้เป็นเรื่องยากมากโดยใช้วิธีการที่ใช้ตัวทำละลายแบบดั้งเดิม แต่นักวิจัยก็มีสังเกตการเพิ่มพลังงานกลลงในส่วนผสมสามารถเอาชนะปัญหาเหล่านี้และให้ผลผลิตที่มีประโยชน์มากขึ้น

ผู้เสนอวิชากลศาสตร์เคมีเชื่อว่าอาจมีปฏิกิริยาอื่นๆ อีกมากมายที่ถูกส่งไปยังกองที่ "เป็นไปไม่ได้" แต่อาจสมควรได้รับรูปลักษณ์อื่นโดยใช้เทคนิคเคมีกลศาสตร์

ที่เป็นไปได้แล้วและมันก็เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากขึ้นด้วยเหรอ? IUPAC เคยกล่าวไว้ว่ากลศาสตร์อาจเปลี่ยนโลกได้