Om zeep te maken, steek gewoon een zuurstofatoom in een koolstof-waterstofbinding. Het recept klinkt misschien simpel. Maar koolstof-waterstofbindingen, als kauwgom in het haar, zijn moeilijk uit elkaar te halen. Omdat ze de basis vormen voor veel meer dan alleen zeep, het vinden van een manier om dat koppige paar te doorbreken zou een revolutie teweeg kunnen brengen in de manier waarop de chemische industrie alles produceert, van farmaceutische producten tot huishoudelijke artikelen.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van Harvard University en Cornell University hebben precies dat gedaan:voor de eerste keer, ze ontdekten precies hoe een reactieve koper-nitreenkatalysator - die net als de pindakaas de greep van kauwgom op haar losmaakte, helpt een chemische reactie op gang te brengen - kan een van die sterke koolstof-waterstofbindingen omzetten in een koolstof-stikstofbinding, een waardevolle bouwsteen voor chemische synthese.

In een paper gepubliceerd in Wetenschap , Kurtis Carsch, een doctoraat student aan de Graduate School of Arts and Sciences aan de Harvard University, Ted Betley, de Erving hoogleraar scheikunde aan Harvard, Kyle Lancaster, Universitair hoofddocent chemie aan de Cornell University, en hun team van medewerkers, niet alleen beschrijven hoe een reactieve koper-nitreenkatalysator zijn magie uitvoert, maar ook hoe je het gereedschap kunt bottelen om die hardnekkige koolstof-waterstofbindingen te verbreken en producten zoals oplosmiddelen te maken, wasmiddelen, en kleurstoffen met minder afval, energie, en kosten.

Industrieën smeden vaak de basis van dergelijke producten (aminen) door middel van een meerstappenproces:ten eerste, ruwe alkaanmaterialen worden omgezet in reactieve moleculen, vaak met hoge kosten, soms schadelijke katalysatoren. Vervolgens, het getransformeerde substraat moet een chemische groep uitwisselen, waarvoor vaak een geheel nieuw katalysatorsysteem nodig is. Het vermijden van die tussenstap - en in plaats daarvan direct de gewenste functie direct in het uitgangsmateriaal invoegen - zou de totale materialen kunnen verminderen, energie, kosten, en mogelijk zelfs de toxiciteit van het proces.

Dat is wat Betley en zijn team wilden doen:een katalysator vinden die chemische stappen kan overslaan. Hoewel onderzoekers al meer dan een halve eeuw zoeken naar de exacte samenstelling van een reactieve koper-nitreenkatalysator en zelfs speculeren dat koper en stikstof de kern van het chemische hulpmiddel zouden kunnen zijn, de exacte vorming van de elektronen van het paar bleef onbekend. "Elektronen zijn als onroerend goed, Mens. Locatie is alles, ' zei Betley.

"De plaatsing van elektronen in een molecuul is nauw verbonden met zijn reactiviteit, " zei Lancaster, WHO, samen met Ida DiMucci, een afgestudeerde student in zijn lab, hielpen bij het vaststellen van de inventarissen van elektronen op het koper en de stikstof. Met behulp van röntgenspectroscopie om energieën te vinden waar fotonen zouden worden geabsorbeerd - het teken van de afwezigheid van een elektron - vonden ze twee verschillende gaten in de stikstof.

"Deze smaak van stikstof - waarin deze twee elektronen ontbreken - is al tientallen jaren betrokken bij reactiviteit, maar niemand heeft direct experimenteel bewijs geleverd voor zo'n soort."

Ze hebben nu. Typisch, als een koperatoom bindt aan een stikstof, beide geven een deel van hun elektronen af ​​om een ​​covalente binding te vormen, waarin ze de elektronen eerlijk verdelen. "In dit geval, "Betley zei, "het is de stikstof met twee gaten erin, dus het heeft twee vrije radicalen en het is gewoon gebonden door een eenzaam paar in het koper."

Die binding voorkomt dat het vluchtige nitreen wegsuist en destructieve chemie uitvoert met alles wat in de weg staat. Als iemand een snee in zijn been krijgt, bijvoorbeeld, het lichaam zendt een reactieve zuurstofsoort uit, vergelijkbaar met deze nitreenradicalen. De reactieve zuurstofspecies vallen binnenvallende parasieten of infectieuze agentia aan, maar ze kunnen DNA beschadigen, te.

Dus, om het reactieve nitreen te bevatten, eerste auteur Carsch bouwde een enorme kooi in de vorm van een ligand. De ligandachtige organische struiken die het koper-nitreenpaar omringen, houden de katalysator intact. Snoei die struiken terug en introduceer een andere stof - zoals een koolstof-waterstofbinding - en het vurige nitreen gaat aan het werk.

Betley noemt de middelman een loper, een hulpmiddel met het potentieel om banden te ontsluiten die anders te sterk zouden zijn om in synthese te gebruiken. "Hopelijk, we kunnen deze chemische soorten genereren die nu zo reactief zullen zijn dat ze de meest inerte soort stoffen die we om ons heen hebben, maken als iets waarmee we kunnen spelen, "zei hij. "Dat zou echt zijn, echt krachtig." Aangezien de bouwstenen, zoals koper en aminen, overvloedig en goedkoop zijn, de loper zou meer praktische manieren kunnen ontsluiten om geneesmiddelen of huishoudelijke producten te maken.

Toen Carsch voor het eerst het molecuul maakte, "hij sprong letterlijk op van vreugde, " Zei Betley. "Ik had zoiets van, 'OKE, settelen.'" Maar de resultaten werden interessanter:het nitreen reageert beter dan verwacht, hoewel "het molecuul geen recht heeft om stabiel te zijn, " en de bindingsstructuur zag er anders uit dan alle ontwerpen die tijdens de laatste zes decennia van onderzoek zijn voorgesteld. "Als we het vanaf het begin hadden voorgesteld, Ik denk dat mensen ons uitgelachen zouden hebben."

Hoewel Betley deze ongrijpbare soort achtervolgde - wat Lancaster 'jacht op groot wild' noemt - sinds hij zijn laboratorium in 2007 lanceerde, hij geeft minder om zijn overwinning en meer om zijn medewerkers. "Ik haal al mijn plezier uit het zien van Kurtis en mijn andere studenten die super enthousiast zijn over wat ze daadwerkelijk hebben kunnen maken." Carsch kreeg te maken met zowel critici als chemische muren, maar volhardde niettemin in zijn jacht. "Ik ben blij dat hij koppig is, zo koppig als ik ben, ' Zei Betley. Ze zijn misschien allebei zo koppig als de banden die ze nu kunnen verbreken.

bij Cornel, toen Lancaster en vijfdejaarsstudent DiMucci de bevindingen bevestigden, hij "stuurde een nogal kleurrijke e-mail" naar het Betley-team. Maar hij, te, dankt zijn medewerkers. DiMucci bracht zeven dagen door in de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource om met hun team de elektronische structuur van de katalysator te analyseren. "Zonder hun nieuwe experimentele mogelijkheden, "Lancaster zei, "We zouden echt niet het signaal tot ruis hebben gehad en de lage achtergrond die het identificeren van dit ding vrij eenvoudig maakte."

Volgende, het team zou inspiratie kunnen putten uit dit nieuwe ontwerp om katalysatoren te bouwen met nog bredere toepassingen, zoals het spiegelen van de manier waarop de natuur gevaarlijk methaan omzet in methanol. "Een echte heilige graal zou zijn om te zeggen, 'OKE, die C-H binding daar, die specifieke in dit molecuul, Ik wil dat veranderen in een C-N binding of een C-O binding, '" zei Lancaster. Dat kan een ver doel zijn, maar zijn zogenaamde "droomteam" zou de juiste kunnen zijn om de oplossing te vinden.