Wanneer wetenschappers de chemische formules ontwikkelen voor nieuwe producten zoals brandstoffen en medicijnen, ze moeten vaak eerst moleculen maken die nog niet eerder hebben bestaan.

Een fundamentele stap in de richting van het creëren van nieuwe moleculen is het selectief verbreken en opnieuw vormen van de chemische bindingen die de atomen verbinden waaruit ze bestaan. Een van de grootste uitdagingen is dat de binding tussen koolstof- en waterstofatomen - de bouwstenen van veel moleculen - uitzonderlijk sterk is, dus moeten scheikundigen vaak hun toevlucht nemen tot het gebruik van zeldzame en dure chemicaliën zoals iridium om het om te zetten in andere, meer bruikbare soorten chemische bindingen. Wetenschappers noemen dit proces het 'functionaliseren' van de bindingen.

Nutsvoorzieningen, een team van UCLA-chemici heeft een nieuwe techniek ontwikkeld om koolstof-waterstofbindingen te verbreken en koolstof-koolstofbindingen te maken. De aanpak maakt gebruik van katalysatoren gemaakt van twee overvloedige en goedkope elementen, silicium en boor. Hun onderzoek is gepubliceerd in Wetenschap .

Hosea Nelson, een UCLA-assistent-professor scheikunde en biochemie en senior auteur van de studie, zei dat de energie-industrie geïnteresseerd is geweest in het nemen van zeer eenvoudige koolwaterstofmoleculen zoals methaan en deze in nieuwe brandstoffen te veranderen.

"Deze nieuwe methode stelt wetenschappers in staat om methaan op te nemen in grotere moleculen, " hij zei.

Een andere mogelijke toepassing is het omzetten van methaan, een van de belangrijkste componenten van aardgas, in iets dat dichter en gemakkelijker te bevatten is nadat het uit de aarde is geboord. Het huidige proces is ingewikkeld omdat methaan, een licht gas, heeft de neiging om in de atmosfeer te ontsnappen.

Nelson werkte aan de studie samen met UCLA-afgestudeerde studenten Brian Shao, Alex Bagdasarian en Stasik Popov.

De onderzoekers gebruikten hun nieuwe techniek om een ​​verbinding te maken die lijkt op een fenylkation, een chemische stof die theoretisch is bestudeerd, maar zelden is onderzocht in daadwerkelijke laboratoriumexperimenten. Vervolgens gebruikten ze de verbinding om koolstof-waterstofbindingen in methaan en benzeen te doorbreken, waardoor ze andere atomen konden invoegen en koolstof-koolstofbindingen konden vormen, die de basisbouwstenen zijn van moleculen waaruit levende organismen bestaan, evenals brandstoffen en geneesmiddelen.

Naast het aantonen dat fenyl-kation-achtige verbindingen bestaan, met de nieuwe techniek kunnen complexe moleculen worden geassembleerd in veel minder reactiestappen dan voorheen mogelijk was, wat chemische en farmaceutische fabrikanten tijd en geld zou kunnen besparen. Een ander voordeel van de methode is dat in tegenstelling tot eerdere benaderingen, het kan worden uitgevoerd bij temperaturen en gasdrukken die gemakkelijk haalbaar zijn in een laboratorium.

Het proces kan ook worden gebruikt om de moleculen in bestaande geneesmiddelen te veranderen om ze effectiever te maken, veiliger of minder verslavend.

De chemici hebben hun techniek getest met behulp van zeer kleine monsters van reactanten - veel minder dan een gram. Maar Nelson heeft goede hoop dat de methodologie kan worden opgeschaald om bruikbaar te zijn voor een breed scala aan chemische reacties in de echte wereld.