Per fare il sapone, basta inserire un atomo di ossigeno in un legame carbonio-idrogeno. La ricetta può sembrare semplice. Ma i legami carbonio-idrogeno, come gomma incastrata nei capelli, sono difficili da smontare. Dal momento che forniscono le basi per molto più del semplice sapone, trovare un modo per rompere quella coppia ostinata potrebbe rivoluzionare il modo in cui le industrie chimiche producono di tutto, dai prodotti farmaceutici ai beni per la casa.

Ora, ricercatori della Harvard University e della Cornell University hanno fatto proprio questo:per la prima volta, hanno scoperto esattamente come un catalizzatore reattivo rame-nitrene, che come il burro di arachidi usato per allentare la presa della gomma sui capelli, aiuta a stimolare una reazione chimica, potrebbe trasformare uno di quei forti legami carbonio-idrogeno in un legame carbonio-azoto, un prezioso elemento costitutivo per la sintesi chimica.

In un articolo pubblicato su Scienza , Kurtis Carsch, un dottorato di ricerca studente della Graduate School of Arts and Sciences dell'Università di Harvard, Ted Betley, l'Erving Professor di Chimica ad Harvard, Kyle Lancaster, Professore Associato di Chimica presso la Cornell University, e il loro team di collaboratori, non solo descrivono come un catalizzatore reattivo rame-nitrene svolge la sua magia, ma anche come imbottigliare lo strumento per rompere quei legami ostinati carbonio-idrogeno e creare prodotti come solventi, detersivi, e coloranti con meno scarti, energia, e costo.

Le industrie spesso forgiano le fondamenta di tali prodotti (ammine) attraverso un processo in più fasi:in primo luogo, i materiali alcani grezzi vengono convertiti in molecole reattive, spesso con costi elevati, catalizzatori a volte nocivi. Quindi, il substrato trasformato deve scambiare un gruppo chimico, che spesso richiede un sistema catalitico completamente nuovo. Evitando quel passaggio intermedio e inserendo invece istantaneamente la funzione desiderata direttamente nel materiale di partenza, si potrebbero ridurre i materiali complessivi, energia, costo, e potenzialmente anche la tossicità del processo.

Questo è ciò che Betley e il suo team miravano a fare:trovare un catalizzatore che potesse saltare i passaggi chimici. Anche se i ricercatori hanno cercato l'esatta composizione di un catalizzatore reattivo rame-nitrene per oltre mezzo secolo e hanno persino ipotizzato che il rame e l'azoto potrebbero essere il nucleo dello strumento chimico, l'esatta formazione degli elettroni della coppia è rimasta sconosciuta. "Gli elettroni sono come i beni immobili, uomo. La posizione è tutto, "Betley ha detto.

"La disposizione degli elettroni in una molecola è intimamente legata alla sua reattività, " disse Lancaster, chi, insieme a Ida DiMucci, uno studente laureato nel suo laboratorio, ha contribuito a stabilire gli inventari degli elettroni sul rame e sull'azoto. Usando la spettroscopia a raggi X per trovare le energie in cui i fotoni sarebbero stati assorbiti, il segno dell'assenza di un elettrone, hanno trovato due distinti buchi sull'azoto.

"Questo sapore di azoto, in cui mancano questi due elettroni, è stato implicato nella reattività per decenni, ma nessuno ha fornito prove sperimentali dirette per una specie del genere."

Hanno ora. Tipicamente, se un atomo di rame si lega ad un azoto, entrambi cedono alcuni dei loro elettroni per formare un legame covalente, in cui condividono equamente gli elettroni. "In questo caso, "Betley ha detto, "è l'azoto con due buchi su di esso, quindi ha due radicali liberi ed è semplicemente legato da una coppia solitaria nel rame."

Quel legame impedisce al nitrene volatile di sfrecciare via e di eseguire una chimica distruttiva con qualsiasi cosa si metta sulla sua strada. Quando qualcuno si taglia una gamba, Per esempio, il corpo emette una specie reattiva dell'ossigeno, simile a questi radicali nitrenici. Le specie reattive dell'ossigeno attaccano parassiti invasori o agenti infettivi, ma possono danneggiare il DNA, pure.

Così, contenere il nitrene reattivo, il primo autore Carsch costruì un'enorme gabbia a forma di ligando. Il ligando, simile a un arbusto organico che circonda la coppia di nitrene di rame, mantiene intatto il catalizzatore. Taglia quel cespuglio e introduci un'altra sostanza, come un legame carbonio-idrogeno, e il nitrene infuocato si mette al lavoro.

Betley chiama il catalizzatore una chiave di scheletro, uno strumento con il potenziale per sbloccare legami che altrimenti sarebbero troppo forti per essere usati in sintesi. "Auspicabilmente, possiamo generare queste specie chimiche che ora saranno così reattive da rendere il tipo più inerte di sostanze che abbiamo intorno a noi come qualcosa con cui possiamo giocare, " ha detto. "Sarebbe davvero, davvero potente." Poiché i mattoni, come il rame e le ammine, sono abbondanti ed economici, la chiave dello scheletro potrebbe sbloccare modi più pratici per realizzare prodotti farmaceutici o prodotti per la casa.

Quando Carsch creò per la prima volta la molecola, "stava letteralmente saltando di gioia, " Betley ha detto. "Ero come, 'OK, stabilirsi.'" Ma i risultati sono diventati più interessanti:il nitrene reagisce meglio del previsto anche se "la molecola non ha il diritto di essere stabile, " e la struttura di incollaggio sembrava diversa da qualsiasi progetto proposto durante gli ultimi sei decenni di ricerca. "Se l'avessimo proposto all'inizio, Penso che la gente ci avrebbe deriso".

Anche se Betley ha inseguito questa specie sfuggente, quella che Lancaster chiama "caccia grossa", da quando ha lanciato il suo laboratorio nel 2007, si preoccupa meno della sua vittoria e più dei suoi collaboratori. "Provo tutto il mio divertimento nel vedere Kurtis e gli altri miei studenti essere super entusiasti di ciò che sono stati effettivamente in grado di fare." Carsch ha affrontato sia le critiche che i muri chimici, ma ha comunque persistito nella sua caccia. "Sono contento che sia testardo, testardo come sono io, "Ha detto Betley. Entrambi potrebbero essere testardi come i legami che ora possono rompere.

A Cornell, quando Lancaster e il dottorando del quinto anno DiMucci hanno confermato i risultati, ha "inviato un'e-mail piuttosto colorata" al team di Betley. Ma lui, pure, accredita i suoi collaboratori. DiMucci ha trascorso sette giorni alla Stanford Synchrotron Radiation Lightsource analizzando la struttura elettronica del catalizzatore con il loro team. "Senza le loro nuove capacità sperimentali, "Lancaster ha detto, "davvero non avremmo avuto il segnale per rumore e lo sfondo basso che ha reso l'identificazione di questa cosa abbastanza facile."

Prossimo, il team potrebbe trarre ispirazione da questo nuovo design per costruire catalizzatori con applicazioni ancora più ampie, come rispecchiare il modo in cui la natura converte il metano pericoloso in metanolo. "Un vero Santo Graal sarebbe dire, 'OK, quel legame C-H lì, quella particolare in questa molecola, Voglio trasformarlo in un legame C-N o un legame C-O, '" ha detto Lancaster. Potrebbe essere un obiettivo lontano, ma il suo cosiddetto "dream team" potrebbe essere quello giusto per dare la caccia alla soluzione.