Gedurende meer dan een decennium in het midden van de 20e eeuw, scheikundigen debatteerden precies hoe "carbocations" - moleculen met een positief geladen koolstofatoom - eruit zagen. Wat bekend staat als de "klassieke weergave, " die aan het begin van die eeuw werd onderwezen, verklaarde dat de koolstof in deze moleculen de lading vasthield; de "niet-klassieke opvatting" was van mening dat de lading ook zou kunnen worden gedeeld door andere nabijgelegen atomen. Zowel theorie als experiment bewezen uiteindelijk dat er niet-klassieke carbokationen bestonden, en het debat verstomde. Zelfs als deze structuren bestaan, de meeste chemici geloofden, ze hadden geen praktische relevantie.

Nutsvoorzieningen, UCLA-onderzoekers hebben een chemische reactie ontdekt - die ooit zou kunnen worden gebruikt om aardolie tot bruikbare verbindingen te verwerken - waarin niet-klassieke carbokationen een sleutelrol spelen. De resultaten, gepubliceerd op 27 juli in het tijdschrift Wetenschap , onderstrepen het belang van niet-klassieke kationen - ionen met minder elektronen dan protonen, en dus een positieve lading. De bevindingen bieden ook een nieuwe reactie op procesalkanen, chemicaliën die worden aangetroffen in methaan- en propaangassen die notoir moeilijk om te zetten zijn in andere producten.

"Er is zowel deze reactie met veel praktisch potentieel, en deze verrassende chemie achter de reactie, " zei Hosea Nelson, een UCLA-assistent-professor scheikunde en biochemie en senior auteur van de studie.

"Nu hebben we het belang van deze soorten aangetoond bij het verklaren van reactiviteit en selectiviteit, " zei Kendall Houk, UCLA's Saul Winstein hoogleraar organische chemie, een co-auteur van het nieuwe onderzoek. Winstein was een UCLA-professor en een voorvechter van het niet-klassieke ionenconcept. Door zijn werk, UCLA werd bekend als een vooraanstaande universiteit voor de studie van carbokationen, zei Miguel García-Garibay, decaan van de UCLA Division of Physical Sciences en hoogleraar scheikunde en biochemie.

Het laboratorium van Nelson richt zich op het ontwikkelen van nieuwe chemische reacties die praktisch kunnen worden gebruikt bij het maken van medicijnen en het verwerken van ongewenste afvalproducten.

"Ons doel is om schoorafval van een raffinaderij te halen en er geneesmiddelen van te maken, " zei Nelson. Alkanen uit dit soort afval vormen een bijzonder probleem omdat ze zeer chemisch stabiel zijn, hij zei. Dat betekent dat het moeilijk is om de bindingen die deze moleculen bij elkaar houden te verbreken.

Vorig jaar, echter, Nelson en zijn collega's ontdekten een chemische reactie die alkanen effectief leek te veranderen in een bijproduct dat chemisch nuttiger is. Er was alleen een probleem, zei Nelson. "Hier was deze zeer krachtige reactie, maar we konden niet uitleggen hoe of waarom het werkte, ' zei hij. Hij werkte samen met Houk om tot een verklaring te komen.

Toen de onderzoekers de reactie verder analyseerden met moderne rekenmethoden, ze ontdekten dat de reactie de vorming van een niet-klassiek carbokation omvat.

"Dit was een verrassende fundamentele bevinding, Nelson zei. "Het introduceert een heleboel andere vragen, en we denken dat de niet-klassieke aard van deze reacties ons in staat zal stellen veel van de regels van chemische synthese te overtreden om nieuwe soorten reacties te ontwikkelen."

Omdat de lading wordt gedeeld door meerdere atomen - het niet-klassieke model - heeft het molecuul meer flexibiliteit om een ​​diverse reeks reacties te ondergaan, inclusief die welke nodig zijn om de sterke bindingen van alkanen te verbreken. Alleen door te kijken naar de reacties met moleculaire dynamica, de bewegingen van atomen volgen terwijl reacties plaatsvinden, waren de reacties te begrijpen.

"We hebben een geheel nieuwe manier ontwikkeld om over reacties na te denken door onze moleculaire dynamica-simulaties, ' zei Houk.

Voor nu, de alkanen worden niet direct omgezet in medicijnen, maar eerder in andere chemicaliën die nuttig kunnen zijn bij het verwerken van medicijnmoleculen. Nelson vermoedt dat de reactie ook nuttig is bij het afbreken van de lange alkaanmoleculen die in sommige niet-biologisch afbreekbare kunststoffen worden aangetroffen. Zijn groep werkt beide toepassingen nader uit.