Voor het eerst ontdekten onderzoekers een eenvoudige en zeer efficiënte manier om bepaalde soorten organische verbindingen te produceren. Het team van de afdeling Scheikunde van de Universiteit van Tokyo rapporteert dat hun nieuwe methode - die een nieuwe ijzerkatalysator gebruikt - niet alleen de organische synthese kan vereenvoudigen, maar ook de kosten aanzienlijk zou verlagen en de afvalproducten zou verminderen. Dit zou enorme gevolgen kunnen hebben voor industrieën zoals farmaceutica, petrochemie, materialen en meer.

Organische verbindingen zijn essentieel voor vrijwel alles. De lijst is eindeloos:brandstoffen, medicijnen, voedsel, wasmiddelen, oplosmiddelen, kunststoffen en natuurlijk het leven zelf. Organische chemicaliën zijn letterlijk overal, zelfs de koude diepten van de ruimte. Er zijn veel verschillende soorten, sommige worden gemaakt door levende organismen en sommige worden in laboratoria gesynthetiseerd door complexe chemische processen. Deze processen hebben financiële en materiële kosten die professor Eiichi Nakamura, hoofdonderzoeker van het onderzoek, wil snijden.

"Ik voelde me aangetrokken om het gebruik van ijzer als katalysator om reacties te versnellen te onderzoeken, "zei Nakamura. "Het is intrigerend hoe het aan de ene kant goedkoop is, overvloedig en niet-toxisch, maar aan de andere kant is het vanwege het complexe elektronische gedrag moeilijk om het katalytische vermogen van ijzer te beheersen."

Dus hoe kan ijzer helpen om de kosten te verlagen?

Het komt allemaal neer op hoe componentmoleculen aan elkaar binden om complexere moleculen te vormen, zoals de altijd zo bruikbare organische verbindingen die hierboven zijn genoemd. Dit zijn meestal combinaties van eenvoudige koolwaterstoffen - moleculen met koolstof-waterstof (C-H) -bindingen - in specifieke arrangementen. Verschillende C-H-bindingen combineren om verschillende functionaliteit in de resulterende verbinding te produceren.

Echter, aan hun lot overgelaten, veel C-H-bindingen hebben de neiging te binden aan andere identieke bindingen die geen bruikbaar product opleveren. Dit wordt homokoppeling genoemd en het resultaat wordt als verspilling beschouwd. Wat Nakamura en collega's hebben gedaan, is om een ​​ijzerkatalysator, de eerste in zijn soort, te verfijnen, zodat deze selecteert welke C-H-bindingen moeten worden gecombineerd en welke bindingsparen moeten worden afgewezen. Op deze manier is er minder homokoppeling en minder totale verspilling.

"Onze groep heeft de reactiviteit van ijzerkatalysatoren al meer dan 10 jaar onderzocht, " vervolgde Nakamura. "Het moeilijkste deel van het onderzoek, maar ook de meest lonende, was het ophelderen van het mechanisme dat ten grondslag lag aan de reacties die we zochten."

Dit mechanisme is een reeks gebeurtenissen waarvoor een hoeveelheid bronmoleculen nodig is, voornamelijk de eenvoudige koolwaterstoffen die de chemicus wil binden, en levert na een bepaalde tijd een hoeveelheid complexere verbindingen.

Deze gebeurtenissen vinden plaats in reactievaten waarin atomen en zelfs subatomaire componenten worden verplaatst en naar behoefte worden weggegooid door verschillende stoffen die de reacties beheersen.

Maar als podium voor al deze actie dient de ijzeren katalysator, zonder welke de koolwaterstoffen nergens hun chemische dans zouden kunnen uitvoeren. In deze analogie speelt de katalysator ook choreograaf, het orkestreren van deze routines op atomair niveau.

Met gebeurtenissen die op zulke kleine schaal plaatsvinden, het is moeilijk voor te stellen hoe Nakamura en zijn team daadwerkelijk kunnen weten wat er gebeurt, maar ze hebben slimme trucs om de voorstelling te zien zonder de spreekwoordelijke dansers te verstoren.

"We hebben een C-H-binding gelabeld met een isotoop van waterstof, deuterium genaamd, stopte toen de reactie halverwege om te meten hoe dit deuterium was veranderd, " concludeerde Nakamura. "We zagen dat deuterium zich op zo'n specifieke manier met reactiemiddelen had verbonden dat het mijn getheoretiseerde mechanisme sterk ondersteunt. Het is een van de meest opwindende resultaten die ik ooit heb gezien."