Forskere opdager kemisk reaktion, der bruger et overraskende molekyle

I mere end et årti i midten af ​​det 20. århundrede, kemikere diskuterede præcis, hvordan "karbokationer" - molekyler med et positivt ladet kulstofatom - så ud. Det, der er kendt som "den klassiske opfattelse, "som blev undervist i begyndelsen af ​​det århundrede, anførte, at kulstoffet i disse molekyler holdt ladningen; den "ikke-klassiske opfattelse" mente, at ladningen også kunne deles af andre nærliggende atomer. Både teori og eksperiment viste til sidst, at der eksisterede ikke-klassiske kulhydrater, og debatten forsvandt. Selvom disse strukturer eksisterer, de fleste kemikere troede, de havde ingen praktisk relevans.

Nu, UCLA-forskere har opdaget en kemisk reaktion - som en dag kan blive brugt til at forarbejde olie til nyttige forbindelser - hvor ikke-klassiske carbocations spiller en nøglerolle. Resultaterne, offentliggjort 27. juli i tidsskriftet Videnskab , understrege vigtigheden af ​​ikke-klassiske kationer - ioner med færre elektroner end protoner, og dermed en positiv ladning. Resultaterne tilbyder også en ny reaktion på at behandle alkaner, kemikalier fundet i metan- og propangasser, som er notorisk svære at omdanne til andre produkter.

"Der er både denne reaktion med en masse praktisk potentiale, og denne overraskende kemi bag reaktionen, " sagde Hosea Nelson, en UCLA-assistentprofessor i kemi og biokemi og seniorforfatter af undersøgelsen.

"Nu har vi vist vigtigheden af ​​disse arter for at forklare reaktivitet og selektivitet, " sagde Kendall Houk, UCLAs Saul Winstein professor i organisk kemi, medforfatter til den nye forskning. Winstein var UCLA-professor og en forkæmper for det ikke-klassiske ionkoncept. Gennem sit arbejde, UCLA blev kendt som et førende universitet for studiet af kulsyrer, sagde Miguel García-Garibay, dekan for UCLA Division of Physical Sciences og professor i kemi og biokemi.

Nelsons laboratorium fokuserer på at udvikle nye kemiske reaktioner, der har praktiske anvendelser til at skabe lægemidler og behandle uønskede affaldsprodukter.

"Vores mål er at tage skorstenskrald fra et raffinaderi og omdanne det til lægemidler, " sagde Nelson. Alkaner fra denne type affald har udgjort et særligt problem, fordi de er meget kemisk stabile, han sagde. Det betyder, at det er svært at bryde de bindinger, der holder disse molekyler sammen.

Sidste år, imidlertid, Nelson og hans kolleger opdagede en kemisk reaktion, der så ud til effektivt at ændre alkaner til et biprodukt, der er mere kemisk nyttigt. Der var kun et problem, sagde Nelson. "Her var denne meget kraftige reaktion, men vi kunne ikke forklare, hvordan eller hvorfor det virkede, " sagde han. Han slog sig sammen med Houk for at finde en forklaring.

Da forskerne yderligere analyserede reaktionen med moderne beregningsmetoder, de fandt ud af, at reaktionen involverer dannelse af en ikke-klassisk carbocation.

"Dette var et overraskende fundamentalt fund, " sagde Nelson. "Det introducerer en masse andre spørgsmål, og vi tror, ​​at disse reaktioners ikke-klassicitet vil give os mulighed for at bryde en masse af reglerne for kemisk syntese for at udvikle nye typer reaktioner."

Da ladningen er delt mellem flere atomer - den ikke-klassiske model - har molekylet mere fleksibilitet til at gennemgå en mangfoldig række af reaktioner, inklusive dem, der er nødvendige for at bryde de stærke bindinger af alkaner. Kun ved at se på reaktionerne med molekylær dynamik, følger atomernes bevægelser, når der sker reaktioner, kunne reaktionerne forstås.

"Vi har udviklet en helt ny måde at tænke reaktioner på gennem vores simuleringer af molekylær dynamik, " sagde Houk.

For nu, alkanerne omdannes ikke direkte til stoffer, men snarere i andre kemikalier, der kan være nyttige til behandling af lægemiddelmolekyler. Nelson formoder, at reaktionen også har nytte til at bryde de lange alkanmolekyler fra hinanden, der findes i nogle ikke-biologisk nedbrydelige plastik. Hans gruppe forfølger begge ansøgninger mere detaljeret.