(圖: Yun Liu, University of Illinois at Urbana-Champaign)

印第安納大學(Indiana University)一組研究團隊日前於《科學》(Science)期刊發表論文,該團隊成功合成出一種分子結構,能從水中有效捕捉鹽類分子。此研究結果有望改善目前因人口增加而面臨的水資源問題。

水資源

因為人口急速上升,都市地下水系統的鹽類滲入自來水系統,導致可飲用水減少的問題不斷增加。根據美國地質調查局(U.S. Geological Survey)的研究顯示,美國每年約有 2.72 億噸的鹽類滲入飲用水中,其來源包括石油探勘、硬水軟化劑、鋪路鹽等等。只需要 1 茶匙的鹽類,就會永久污染 5 加侖(約 23 公升)的水。

分子籠

此團隊合成出的分子形狀如同一個籠子,能捕獲水中常見的氯化物(Chloride)鹽類,如常見的氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣等。此分子包含六個三唑(triazole)組成,這是一種碳和氮組成的雜環,所形成的籠子形狀適合抓住氯。在 2008 年時,此實驗室也成功合成過一種由四個三唑組成的二維分子來捕捉氯化物,其形狀如同甜甜圈一般。但此次合成出來的分子,因為多出的兩個三唑,其捕捉效率為先前的 100 億倍。

除了形狀的不同外,此分子是使用碳氫鍵與氯化物鍵結。雖原先的研究認為,碳氫鍵的鍵結過弱,而無法與一般使用的氮氫鍵相比,提供穩定的鍵結。但研究團隊發現,以碳氫鍵抓住氯化物的三唑結構比氮氫鍵的化合物更剛硬,因此即使氯化物離開了中心也不會導致結構瓦解,而這個問題是過去使用氮氫鍵為主的化合物無法解決的。

未來發展

這種分子目前仍需長時間進行合成,在首次的實驗中,團隊花了將近一年的時間才合成出此分子。令人訝異的是,其特殊的結構性質是在合成放置數個月後才發現的,一般而言此過程通常需要極為小心的監控。在這之後,該實驗室的研究員趙偉博士(Wei Zhao)花了數個月的時間再次成功合成出此分子。

此研究計畫由美國能源部(U.S. Department of Energy)支持,目前也正在申請專利,若能夠找到大規模的合成方法,未來有望解決水資源受鹽類污染的問題。

參考資料:

  1. Fryling, K. (2019, May 23). IU researchers synthesize a molecular ‘cage’ to trap chloride salts.  IUNews
  2. Lagones, T. A., Boer, S., & White, N. (2019). Hydrogen Bonding Guests Direct the Packing of a Small Organic Cage Molecule. doi:10.26434/chemrxiv.8052182
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