Blå huller bringer glemt kemisk element tilbage på scenen

Omkring en tredjedel af al schweizisk eksport stammer fra fundamentale opdagelser inden for syntetisk kemi. Visse stoffer og parfume, såvel som fødevarer og landbrugsprodukter – og endda Ferraris berømte røde farve – er afledt af nye molekylære strukturer opfundet af schweiziske videnskabsmænd. Kemikere ved Universitetet i Genève (UNIGE), Schweiz, har netop opdaget, at kemiske bindinger baseret på antimon, et glemt grundstof i midten af ​​det periodiske system, give kraftige nye katalysatorer, der kan bruges til at stimulere transformationen af ​​et molekyle indefra. Disse bindinger komplementerer eksisterende interaktioner såsom konventionelle hydrogenbindinger eller de nyere kalkogenbindinger med svovl. Dette fund, offentliggjort i tidsskriftet Angewandte Chemie , kunne føre til skabelsen af ​​nye, innovative materialer. Det har udløst en lille revolution blandt syntetiske kemikere, som altid havde troet, at der var en grænse for antallet af mulige bindinger til at bygge nye katalysatorer.

Grundforskning i kemi kræver kreativitet. Men kemikere har brug for specifikke værktøjer. For at inducere en molekylær transformation, substratmolekylet skal komme i kontakt med et grundstof i katalysatoren. Under normale forhold, den binding er hydrogen. Men de kreative muligheder reduceres, når de begrænses til dette enkelt element. At finde nye måder at initiere kontakt mellem molekyler ville gøre det muligt at transformere dem anderledes, derved gør det muligt for kemikere at skabe nye materialer. "Det er derfor, mit team konstant leder efter nye bindinger til katalyse, " forklarer Stefan Matile, professor ved Institut for Organisk Kemi på UNIGEs Naturvidenskabelige Fakultet. "Efter at have opdaget den svovlbaserede binding til katalyse, kalkogen, to år siden, vi besluttede at se på en anden kategori i det periodiske system, pnictogen elementer, som er kendetegnet ved deres metalliske komponenter." Nitrogen, fosfor, arsen, antimon og bismuth hører alle til denne kategori.

At grave nye bånd til katalysen kræver innovation. "Forskning fokuserer normalt på at studere grundstoffernes elektroner. Vi tog den modsatte tilgang - vi undersøgte kun de tomme rum, som elektronerne efterlod, som er afgørende for molekylær konstruktion, så vi kunne lede efter mulige nye interaktioner, " siger professor Matile. Tunge pnictogene elementer, som modne frugter, er mere fleksible og deformerbare end brint, som er meget kompakt. De tomme rum er således mere tilgængelige og forståelige for kemikerne.

Syv elementer blev valgt af UNIGE-forskerne. "Teoretiske beregninger giver en bedre visualisering af de tomme rum, " siger Amalia I. Poblador-Bahamande, en forsker i Organisk Kemisk Institut på Det Naturvidenskabelige Fakultet. "Derfor foretog vi først computermodellering af de syv grundstoffer alene, så vi kunne visualisere, hvor både elektronerne og de tomme rum befandt sig. Så gjorde vi det igen med de molekyler, der skulle testes for at måle styrken af ​​den nye binding. ." Jo mere synligt molekylets tomme rum blev, jo bedre bindingen virker, og jo bedre grundstof som katalysator. På dette teoretiske stadie, antimon viste sig at være det bedste af de syv testede grundstoffer. Resultaterne tilskyndede kemikerne til at fokusere på grundstofferne i bunden af ​​det periodiske system, et område, der er lidt udforsket i organisk kemi.

Baseret deres arbejde på den teoretiske modellering, kemikerne studerede bindingerne ved hjælp af kernemagnetisk resonans, som gør det muligt at visualisere molekylerne og transformationerne i deres struktur. "Vores resultater var helt i overensstemmelse med de teoretiske forudsigelser, " siger Sebastian Benz, en ph.d. studerende i professor Matiles team. "Antimony viste sig endnu en gang at være ultraeffektiv, op til 4, 000 gange hurtigere end de andre elementer, der blev testet til at skabe en ny struktur."

Antimon viste sig at være en overraskelse for UNIGE-forskerne. Det blev brugt som øjenmakeup i det gamle Egypten, før det faldt i glemmebogen. Denne forskning sætter elementet tilbage i rampelyset, alt takket være de enestående kvaliteter, den viste til molekylær transformation. "Antimony er ikke kun ultrahurtig, men også - i modsætning til andre katalysatorer, der virker på molekylets overflade - virker det indefra. Dette påvirker hele materialets miljø og gør det muligt for kemikeren at være mere præcis, når de udfører transformationerne, " siger professor Matile.

Pnictogen-bindingerne med antimon er de tredje bindinger til katalyse, opdaget af UNIGE-kemikerne, efter anion-π-bindinger og chalcogenbindinger med svovl. Alle tre introducerer nye måder at se på molekylære transformationer og åbner op for uafprøvede perspektiver. "Vi har ikke tænkt os at stoppe der, selvfølgelig. Vi vil blive ved med at lede efter nye obligationer og måder, hvorpå vi kan gøre brug af dem, " siger professor Matile. Forskerne har udviklet de første enzymer, der arbejder med anion-π-bindinger, lavet i National Center of Competence in Research (NCCR) Molecular Systems Engineering, og de første fluorescerende prober, der kan visualisere mekaniske kræfter i levende celler takket være kalkogenbindinger med svovl, lavet i NCCR Chemical Biology ved UNIGE.