Ongeveer een derde van alle Zwitserse export is het resultaat van fundamentele ontdekkingen in de synthetische chemie. Bepaalde medicijnen en parfums, evenals voedsel en landbouwproducten - en zelfs de beroemde rode kleur van Ferrari - zijn afgeleid van nieuwe moleculaire structuren die zijn uitgevonden door Zwitserse wetenschappers. Chemici aan de Universiteit van Genève (UNIGE), Zwitserland, hebben net ontdekt dat chemische bindingen op basis van antimoon, een vergeten element in het midden van het periodiek systeem, leveren krachtige nieuwe katalysatoren op die kunnen worden gebruikt om de transformatie van een molecuul van binnenuit te stimuleren. Deze bindingen vormen een aanvulling op bestaande interacties zoals conventionele waterstofbruggen of de meer recente chalcogeenbindingen met zwavel. Deze vonst, gepubliceerd in het tijdschrift Angewandte Chemie , kan leiden tot het ontstaan ​​van nieuwe, innovatieve materialen. Het heeft een kleine revolutie veroorzaakt onder synthetische chemici, die altijd had geloofd dat er een limiet was aan het aantal mogelijke bindingen om nieuwe katalysatoren te bouwen.

Fundamenteel onderzoek in de chemie vereist creativiteit. Maar chemici hebben specifieke hulpmiddelen nodig. Om een ​​moleculaire transformatie te induceren, het substraatmolecuul moet in contact komen met een element in de katalysator. Onder normale omstandigheden, die binding is waterstof. Maar de creatieve mogelijkheden worden beperkt wanneer ze beperkt blijven tot dit ene element. Het vinden van nieuwe manieren om contact tussen moleculen te initiëren, zou het mogelijk maken om ze anders te transformeren, waardoor scheikundigen nieuwe materialen kunnen maken. "Daarom is mijn team constant op zoek naar nieuwe bindingen voor katalyse, " legt Stefan Matile uit, een professor in de afdeling Organische Chemie van de Faculteit Wetenschappen van UNIGE. "Na de ontdekking van de op zwavel gebaseerde binding voor katalyse, chalcogeen, twee jaar geleden, we besloten om naar een andere categorie in het periodiek systeem te kijken, pnictogene elementen, die zich onderscheiden door hun metalen componenten." Stikstof, fosfor, arseen, antimoon en bismut behoren allemaal tot deze categorie.

Om nieuwe bindingen voor de katalyse te vinden, is innovatie nodig. "Onderzoek richt zich meestal op het bestuderen van de elektronen van de elementen. We hebben de tegenovergestelde benadering gekozen - we hebben alleen de lege ruimtes onderzocht die door de elektronen zijn achtergelaten, die essentieel zijn voor moleculaire constructie, zodat we konden zoeken naar mogelijke nieuwe interacties, " zegt professor Matile. Zware pnictogene elementen, als rijp fruit, zijn flexibeler en vervormbaarder dan waterstof, die erg compact is. De lege ruimtes zijn zo toegankelijker en begrijpelijker voor de chemici.

Zeven elementen werden gekozen door de UNIGE-wetenschappers. "Theoretische berekeningen zorgen voor een betere visualisatie van de lege ruimtes, " zegt Amalia I. Poblador-Bahamonde, een onderzoeker bij de afdeling Organische Chemie van de faculteit Bètawetenschappen. "Daarom hebben we eerst alleen de zeven elementen computermodellering uitgevoerd, zodat we konden visualiseren waar zowel de elektronen als de lege ruimtes zich bevonden. Daarna deden we het opnieuw met de te testen moleculen om de sterkte van de nieuwe binding te meten ." Hoe zichtbaarder de lege ruimtes van het molecuul werden, hoe beter de band werkt, en hoe beter het element als katalysator. In dit theoretische stadium antimoon bleek de beste van de zeven geteste elementen. De bevindingen moedigden de chemici aan om zich te concentreren op elementen aan de onderkant van het periodiek systeem, een gebied dat weinig wordt onderzocht in de organische chemie.

Door hun werk te baseren op de theoretische modellering, de chemici bestudeerden de bindingen met behulp van nucleaire magnetische resonantie, wat het mogelijk maakt om de moleculen en de transformaties in hun structuur te visualiseren. "Onze resultaten waren perfect consistent met de theoretische voorspellingen, " zegt Sebastiaan Benz, een doctoraat student in het team van professor Matile. "Antimonie bleek eens te meer uiterst efficiënt te zijn, tot 4, 000 keer sneller dan de andere elementen die zijn getest bij het creëren van een nieuwe structuur."

Antimoon bleek een verrassing voor de UNIGE-onderzoekers. Het werd gebruikt als oogmake-up in het oude Egypte voordat het in de vergetelheid raakte. Dit onderzoek zet het element weer in de schijnwerpers, allemaal dankzij de uitzonderlijke kwaliteiten die het toonde voor moleculaire transformatie. "Antimoon is niet alleen ultrasnel, maar werkt ook - in tegenstelling tot andere katalysatoren die op het oppervlak van het molecuul werken - van binnenuit. Dit heeft invloed op de hele omgeving van het materiaal en stelt de chemicus in staat nauwkeuriger te zijn bij het uitvoeren van de transformaties, ’ zegt professor Matile.

De pnictogeenbindingen met antimoon zijn de derde bindingen voor katalyse die door de UNIGE-chemici zijn ontdekt, na anion-π-bindingen en chalcogeenbindingen met zwavel. Alle drie introduceren nieuwe manieren om naar moleculaire transformaties te kijken en openen onbeproefde perspectieven. "We zijn niet van plan om daar te stoppen, natuurlijk. We blijven zoeken naar nieuwe bindingen en manieren waarop we die kunnen benutten, ", zegt professor Matile. De onderzoekers hebben de eerste enzymen ontwikkeld die werken met anion-π-bindingen, gemaakt in het National Center of Competence in Research (NCCR) Molecular Systems Engineering, en de eerste fluorescerende sondes die mechanische krachten in levende cellen kunnen visualiseren dankzij chalcogeenbindingen met zwavel, gemaakt in de NCCR Chemical Biology bij UNIGE.