Διεθνές Έτος Χημείας 2011

Ο χρυσός, ως στοιχείο, σημαδεύει την ανθρωπότητα από την αρχή της, ενώ δεν υπάρχει κάποιος (χημικός ή άλλος) διεκδικητής της ανακάλυψης του. Υπήρξε ανέκαθεν πολύτιμο αγαθό, όπως αναφέρει η Ελληνική Μυθολογία και Ιστορία (Μίδας, Κροίσος, κλπ). Η σπανιότητα του σε συνδυασμό με την αξία του οδήγησε τους πρώτους χημικούς, τους αλχημιστές, στη τεράστια προσπάθεια κατασκευής του.

Λόγω του, υπό κανονικές συνθήκες, υψηλά θετικού δυναμικού του, ο χρυσός εμφανίζει χαμηλή δραστικότητα και έτσι υπάρχει στην φύση σε στοιχειακή μορφή, π.χ. με την μορφή σβώλων (ψηγμάτων). Σε αντίθεση με άλλα μέταλλα, συνήθως δεν χρειάζεται κάποια χημική επεξεργασία για την εξαγωγή του από αντίστοιχα μεταλλεύματα.

Από την αρχαιότητα, με την λάμψη και την ομορφιά του, χρησιμοποιείται στην κατασκευή κοσμημάτων και έργων τέχνης, με εντυπωσιακή αντοχή σε κάθε είδους συνθήκες και το χρόνο. Ακόμη και σήμερα περίπου 80% της συνολικής του ζήτησης αφορά την κατασκευή κοσμημάτων. Σαφώς πιο καθοριστικό για την πορεία του είναι το ότι η φυσική του σταθερότητα και η σπανιότητα του συνεπάγονται την απόδοση σε αυτόν κοινά αποδεκτής αξίας και την ακόρεστη επιδίωξη κατοχής του. Έτσι υπήρξε όχι μόνο η βάση νομισματικών συστημάτων αλλά και κάθε είδους (άγριων) δραστηριοτήτων, όπως η χρυσοθηρία.

Από την άλλη, ανέκαθεν ο χρυσός έχει συμβάλει σε χημικές και γενικότερα επιστημονικές ανακαλύψεις, όπου πέραν των αλχημιστών, εμπλέκονται και διάσημα ονόματα όπως του Αρχιμήδη και του Rutherford. Γενικά, είχε και έχει εφαρμογές στην Ηλεκτρονική των Η/Υ, των Τηλεπικοινωνιών, της Αυτοκινητοβιομηχανίας, στα Τρόφιμα, στην Ιατρική, την Οδοντιατρική και την Φαρμακολογία (και ως φάρμακο και ως βιο-υλικό), στην Αεροπορική και Διαστημική Βιομηχανία, στην Περιβαλλοντική Προστασία [1].

Εφαρμογές Ηλεκτρονικής Ο χρυσός χρησιμοποιείται:

• στις επιχρυσωμένες επαφές και υποδοχές Η/Υ, κινητών τηλεφώνων, διαφόρων υβριδικών κυκλωμάτων, ακόμη και κάποιων DVDs και CD-Rs εγγραφής,
• σε εφαρμογές νανοκλίμακας στην πληροφορική και νανοσωματιδίων στα ηλεκτρικά πεδία,
• στην επιχρύσωση και στα σύρματα συγκόλλησης για τις «έξυπνες» κάρτες,
• για τα συστήματα ελέγχου ηλεκτρονικής ανάφλεξης, αντιολισθητικής πέδησης, ψεκασμού καυσίμου, αισθητήρων σύγκρουσης αερόσακων κλπ της βιομηχανίας αυτοκινήτων.

Εφαρμογές Ιατρικής Ο μεταλλικός χρυσός είναι εξαιρετικά βιοσυμβατός, (ενώ ο χρυσός σε ιοντική μορφή είναι τοξικός) και δεν παρουσιάζει προβλήματα αλλεργικών αντιδράσεων, σε αντίθεση για παράδειγμα με το νικέλιο. Ακόμη είναι αδιαφανής έναντι των ακτίνων Χ. Έτσι, χρησιμοποιείται:

• ιστορικά στην λεγόμενη «χρυσοθεραπεία», όπου ο χρυσός και οι ενώσεις του αποτελούν συστατικά φαρμάκων για πολλές παθήσεις όπως η ρευματοειδής αρθρίτιδα, αλλά, και πρόσφατα, κάποιες μορφές καρκίνου,
• στα stents για την απόφραξη αρτηριών,κλπ.,
• σε εμφυτευμένες ιατρικές συσκευές όπως βηματοδότες και αντλίες ινσουλίνης,
• στην «Βιο-βαλλιστική», δηλαδή την επακριβώς ελεγχόμενη έγχυση κλώνων DNA αναμεμιγμένων σε χρυσόσκονη επί συγκεκριμένων κυττάρων για διερεύνηση των σχετικών αντιδράσεων),
• σε εφαρμογές microchip drug delivery, όπου μικροσκοπικές δόσεις φαρμάκων τοποθετούνται εντός χρυσού περιβλήματος και εισάγονται στο σώμα του ασθενούς, εκλύοντας ηλεκτρονικά ελεγχόμενες, δόσεις του φαρμάκου.

Εφαρμογές Οδοντιατρικής Χρησιμοποιείται ως οδοντιατρικό βιο-υλικό (παρ' όλο που από την δεκαετία του 1970 σε κάποιο βαθμό αντικαταστάθηκε από συνθετικά υλικά λόγω του κόστους του):

• σύρμα στην στερέωση τεχνητών οδόντων και ως σφράγισμα (Ετρούσκοι, 700 π.Χ.),
• για την κατασκευή τεχνητών οδόντων / γεφυρών κλπ. (σήμερα με μορφή κράματος).

Εφαρμογές στην Αερο-Διαστημική Χρησιμοποιείται κυρίως στα ηλεκτρονικά κυκλώματα και ως θερμική ασπίδα σε αεροπλάνα, διαστημόπλοια, δορυφόρους.

Εφαρμογές στην Περιβαλλοντική Προστασία Χρησιμοποιείται ως:

• καταλύτης στον έλεγχο καυσαερίων μηχανών ντήζελ και εκπομπών υδραργύρου,
• με την μορφή νανοσωματιδίων χρυσού στον εμβολισμό και διάσπαση ατόμων οξυγόνου προάγοντας έτσι χρήσιμες οξειδωτικές αντιδράσεις.

Ενώ η στοιχειομετρική χημεία του χρυσού έχει ερευνηθεί επαρκώς, ο χρυσός σχεδόν αγνοήθηκε κατά τη ραγδαία πορεία της ανάπτυξης των αντιδράσεων κατάλυσης, παρόλο που ο περιοδικός πίνακας με τα 81 σταθερά, μη ραδιενεργά, στοιχεία, προσφέρει σχετικά περιορισμένο αριθμό δομικών μονάδων στους χημικούς, που ερευνούν την κατάλυση. Αν και οι πρώτες αναφορές χρησιμοποίησης του χρυσού ως καταλύτη σε χημικές αντιδράσεις είχαν ήδη δημοσιευθεί πριν από 30 χρόνια, ο χρυσός παρέμεινε ουσιαστικά «παραμελημένος». Αυτό οφείλεται ίσως στην κακώς αναμενόμενη μικρή δραστικότητα του και στη μεγάλη και σταθερή αξία, που αντιπροσωπεύει το μέταλλο αυτό. Στην πραγματικότητα όμως ο βασιλιάς των μετάλλων είναι λιγότερο δαπανηρός από άλλα μέταλλα, όπως το ρόδιο το παλλάδιο και η πλατίνα, που χρησιμοποιούνται στις καταλύσεις. Ακόμη θα πρέπει να σημειωθεί ότι η τιμή ενός καταλύτη προσδιορίζεται συνήθως περισσότερο από τον συναρμοστή και λιγότερο από το μέταλλο.

Τα τελευταία χρόνια όμως η κατάλυση με χρυσό παρουσιάζει ένα μεγάλο και συνεχώς αυξανόμενο ενδιαφέρον και ομογενείς και ετερογενείς καταλύτες χρυσού έχουν αναδειχθεί ως ενεργοί και εξαιρετικά επιλεκτικοί σε ένα ευρύ φάσμα αντιδράσεων [2-5]. Στην ομογενή κατάλυση χρησιμοποιούνται ως καταλύτες άλατα μονοσθενούς και τρισθενούς χρυσού Au(I) και Au(III), ενώ στην ετερογενή κατάλυση χρησιμοποιούνται νανοσωματίδια χρυσού προσροφημένα σε στερεά πολυμερικά ή ανόργανα υποστρώματα όπως οξείδια (CeO2, Fe2O3, TiO2) [6].

Η διασπορά του χρυσού σε επίπεδο νανοσωματιδίων έδωσε μια τεράστια ώθηση στις εφαρμογές του χρυσού στην κατάλυση. Ακόμη και στις περιπτώσεις της ομογενούς κατάλυσης θεωρείται πιθανόν, ότι τα αρχικά σύμπλοκα λειτουργούν ως προκαταλύτες και με διάσπαση τους δημιουργούνται στο διάλυμα της αντίδρασης νανοσωματίδια χρυσού σε κολλοειδή μορφή και ουσιαστικά φαίνεται να υπάρχει μια γέφυρα μεταξύ ομογενούς και ετερογενούς κατάλυσης.΄Ετσι σήμερα έχει μελετηθεί πληθώρα αντιδράσεων, για τις οποίες ο χρυσός είναι όχι απλώς ένας κατάλληλος καταλύτης, αλλά ο καλύτερος δυνατός. Οι αντιδράσεις αυτές μπορούν να υπαχθούν σε διάφορες γενικές κατηγορίες, όπως προσθήκες σε πολλαπλούς δεσμούς, ισομερειώσεις, οξειδώσεις, εκλεκτικές αναγωγές, ενεργοποιήσεις καρβονυλίων και αλκοολών.

Οι καταλύτες χρυσού, λόγω των γνωστών μοναδικών ιδιοτήτων τους, είναι πλέον γενικά αποδεκτοί ως η βέλτιστη επιλογή για πολλούς χημικούς μετασχηματισμούς σε αμφότερες τις ετερογενείς και ομογενείς διεργασίες. Βρίσκονται, επίσης, στο επίκεντρο μιας σειράς νέων εξελίξεων στην «πράσινη» τεχνολογία, ενώ, ιδίως, η αποδοτική δραστικότητα του χρυσού σε θερμοκρασία περιβάλλοντος έχει ανοίξει νέες ευκαιρίες για εφαρμογές στον έλεγχο της ρύπανσης. Κάποια άλατα χρυσού μπορούν να προωθήσουν χημικούς μετασχηματισμούς, σε θερμοκρασία δωματίου και με χρόνο αντίδρασης λίγων μόνο λεπτών. Αυτό, σε αντίθεση με αντιδράσεις με άλλα μέταλλα ως καταλύτες, που απαιτούν υψηλότερες θερμοκρασίες και χρόνους αντίδρασης ωρών ή ακόμη και ημερών.

Η υψηλή δραστικότητα πολλών μεταλλικών συμπλόκων καθιστούν τις αντιδράσεις με καταλύτες ευαίσθητες τόσο στον αέρα όσο και στην υγρασία, και περιορίζουν την πρακτική χρησιμότητά τους, αντίθετα με τα παράγωγα του χρυσού που συνήθως παρουσιάζουν ανοχή στον αέρα και την υγρασία και διευκολύνουν την πειραματική διαδικασία. Σε πολλούς μετασχηματισμούς, οι καταλύτες χρυσού δεν χρειάζονται κάποιον άλλο συναρμοστή για να δράσουν καταλυτικά. Οι αντιδράσεις με το χρυσό ως καταλύτη συχνά προχωρούν σε ήπιες συνθήκες, και οι καταλύτες χρυσού ενεργοποιούνται σε εξαιρετικά μικρές ποσότητες, «πρασινίζοντας» έτσι την συνθετική χημεία.

Πυρηνόφιλες προσθήκες σε πολλαπλούς δεσμούς Αποτελούν την πλειονότητα των αντιδράσεων που καταλύονται από χρυσό. Ο πολλαπλός δεσμός ενεργοποιείται από το χρυσό και στη συνέχεια προσβάλλεται από το πυρηνόφιλο. Τα υποστρώματα μπορεί να είναι αλκένια, αλκίνια ή και αλλένια και η προσβολή μπορεί να γίνει ενδομοριακά ή και διαμοριακά.

Η ενδομοριακή υδροξυλίωση αλλένυλο αλκοολών προς διϋδροφουράνια αποτελεί ένα παράδειγμα της κατηγορίας των αντιδράσεων αυτών [7]. Επιτυγχάνεται με τη χρήση ομογενούς καταλύτη χρυσού, ο οποίος συνδυάζει την υψηλή δραστικότητα και εξαιρετική στερεοεκλεκτικότητα. και εχει χρησιμοποιηθεί σαν στάδιο κλειδί για την ολική συνθεση του Citreoviral, ενός μεταβολίτη της αντιπαρασιτικής μυκοτοξίνης Citreoviridin.

Αν και αγνοήθηκε από τους οργανικούς χημικούς για πολλά χρόνια η κατάλυση των οργανικών αντιδράσεων με χρυσό αποτελεί σήμερα ένα ιδιαίτερα ενεργό πεδίο που καλύπτει ένα μεγάλο εύρος αντιδράσεων. Η ανάπτυξη του τομέα είναι ραγδαία και είμαστε στην αυξανόμενη πλευρά ενός χρυσού κύματος. Ο στόχος δεν είναι πλέον πως θα φτιάξουμε χρυσό αλλά τι μπορούμε να φτιάξουμε με τον χρυσο.