Forskere forenkler og strømliner organisk kemisk syntese dramatisk

For første gang opdagede forskere en enkel og yderst effektiv måde at fremstille visse former for organiske forbindelser på. Holdet fra Institut for Kemi ved University of Tokyo rapporterer, at deres nye metode - som bruger en ny jernkatalysator - ikke kun kan forenkle organisk syntese, men vil i høj grad reducere omkostningerne og skære ned på affaldsprodukter. Dette kan få enorme konsekvenser for industrier som medicinalvarer, petrokemikalier, materialer og mere.

Organiske forbindelser er essentielle for stort set alt. Listen er uendelig:brændstoffer, lægemidler, fødevarer, rengøringsmidler, opløsningsmidler, plastik og selvfølgelig selve livet. Organiske kemikalier er bogstaveligt talt overalt, selv de kolde dybder af rummet. Der er mange forskellige slags, nogle er lavet af levende organismer og nogle er syntetiseret i laboratorier ved komplekse kemiske processer. Disse processer har økonomiske og materielle omkostninger, som professor Eiichi Nakamura, hovedforsker af undersøgelsen, har til formål at skære.

"Jeg følte mig tiltrukket af at undersøge brugen af ​​jern som katalysator for at fremskynde reaktioner, " sagde Nakamura. "Det er spændende, hvordan det på den ene side er billigt, rigelig og ugiftig, men på den anden side er det svært at kontrollere jerns katalytiske evne på grund af dets komplekse elektroniske adfærd."

Så hvordan kan jern hjælpe med at reducere omkostningerne?

Det hele kommer ned til, hvordan komponentmolekyler binder sig sammen for at danne mere komplekse, såsom de altid så nyttige organiske forbindelser nævnt ovenfor. Disse er normalt kombinationer af simple carbonhydrider - molekyler med carbon-hydrogen (CH) bindinger - i specifikke arrangementer. Forskellige CH-bindinger kombineres for at producere forskellig funktionalitet i den resulterende forbindelse.

Imidlertid, overladt til sig selv, mange CH-bindinger har en tendens til at binde sig til andre identiske bindinger, hvilket ikke giver et nyttigt produkt. Dette kaldes homokobling, og resultatet betragtes som affald. Hvad Nakamura og kolleger har gjort, er at finjustere en første af sin slags jernkatalysator, så den vælger hvilke CH-bindinger der skal kombineres, og hvilke bindingspar der skal afvises. På denne måde er der mindre homokobling og mindre samlet spild.

"Vores gruppe har undersøgt reaktiviteten af ​​jernkatalysatorer i over 10 år, " fortsatte Nakamura. "Den sværeste del af forskningen, men også den mest givende, var at belyse mekanismen bag de reaktioner, vi søgte."

Denne mekanisme er en række begivenheder, der tager en mængde kildemolekyler, primært de simple kulbrinter, kemikeren ønsker at binde, og leverer en mængde mere komplekse forbindelser efter en vis tid er gået.

Disse begivenheder finder sted i reaktionsbeholdere, hvor atomer og endda subatomare komponenter bliver flyttet rundt og kasseret efter behov af forskellige stoffer, som styrer reaktionerne.

Men jernkatalysatoren fungerer som scenen for al denne handling, uden hvilke kulbrinterne ingen steder ville have at udføre deres kemiske dans. I denne analogi spiller katalysatoren også koreograf, orkestrering af disse rutiner på atomniveau.

Med begivenheder, der finder sted i så lille skala, det er svært at forestille sig, hvordan Nakamura og hans team faktisk kan vide, hvad der sker, men de har smarte tricks til at se forestillingen uden at forstyrre de velkendte dansere.

"Vi mærkede en CH-binding med en isotop af hydrogen kaldet deuterium, stoppede derefter reaktionen halvvejs for at måle, hvordan dette deuterium havde ændret sig, " konkluderede Nakamura. "Vi så, at deuterium var bundet til reaktionsmidler på en så specifik måde, at det stærkt understøtter min teoretiserede mekanisme. Det er et af de mest spændende resultater, jeg nogensinde har set."