Para hacer jabón, simplemente inserte un átomo de oxígeno en un enlace carbono-hidrógeno. La receta puede sonar simple. Pero los enlaces carbono-hidrógeno, como las encías pegadas en el cabello, son difíciles de separar. Ya que proporcionan la base para mucho másque solo jabón, encontrar una manera de romper ese par terco podría revolucionar la forma en que las industrias químicas producen todo, desde productos farmacéuticos hasta artículos para el hogar.
Ahora, los investigadores de la Universidad de Harvard y la Universidad de Cornell han hecho exactamente eso: por primera vez, descubrieron exactamente cómo un catalizador reactivo de cobre y nitreno, que al igual que la mantequilla de maní utilizada para aflojar el agarre de las encías en el cabello, ayuda a empujar un químicoreacción a ocurrir: podría transformar uno de esos fuertes enlaces carbono-hidrógeno en un enlace carbono-nitrógeno, un elemento valioso para la síntesis química.
en un artículo publicado en ciencia , Kurtis Carsch, estudiante de doctorado en la Escuela de Graduados de Artes y Ciencias de la Universidad de Harvard, Ted Betley, el Profesor Erving de Química en Harvard, Kyle Lancaster, Profesor Asociado de Química en la Universidad de Cornell, y su equipo decolaboradores, no solo describen cómo un catalizador reactivo de cobre-nitreno realiza su magia, sino también cómo embotellar la herramienta para romper esos obstinados enlaces carbono-hidrógeno y fabricar productos como solventes, detergentes y colorantes con menos desperdicio, energía y costo.
Las industrias a menudo forjan la base de tales productos aminas a través de un proceso de varios pasos: primero, los materiales de alcanos en bruto se convierten en moléculas reactivas, a menudo con catalizadores de alto costo, a veces nocivos. Luego, el sustrato transformado necesita intercambiar ungrupo químico, que a menudo requiere un sistema catalítico completamente nuevo. Evitar ese paso intermedio, y en su lugar insertar instantáneamente la función deseada directamente en el material de partida, podría reducir los materiales generales, la energía, el costo y potencialmente incluso la toxicidad del proceso.
Eso es lo que Betley y su equipo pretendían hacer: encontrar un catalizador que pudiera saltarse los pasos químicos. Aunque los investigadores han buscado la composición exacta de un catalizador reactivo de cobre-nitreno durante más de medio siglo e incluso han especulado que el cobre yel nitrógeno podría ser el núcleo de la herramienta química, la formación exacta de los electrones del par seguía siendo desconocida. "Los electrones son como bienes raíces, hombre. La ubicación lo es todo", dijo Betley.
"La disposición de los electrones en una molécula está íntimamente ligada a su reactividad", dijo Lancaster, quien, junto con Ida DiMucci, un estudiante graduado en su laboratorio, ayudó a establecer los inventarios de electrones en el cobre y el nitrógeno. Usando Xde rayos X para encontrar energías donde los fotones serían absorbidos, la marca de la ausencia de un electrón, encontraron dos agujeros distintos en el nitrógeno.
"Este sabor a nitrógeno, en el que faltan estos dos electrones, ha estado implicado en la reactividad durante décadas, pero nadie ha proporcionado evidencia experimental directa de tal especie".
Lo han hecho ahora. Por lo general, si un átomo de cobre se une a un nitrógeno, ambos abandonan algunos de sus electrones para formar un enlace covalente, en el que comparten los electrones de manera equitativa ". En este caso", dijo Betley, "es elnitrógeno con dos agujeros, por lo que tiene dos radicales libres y está unido por un par solitario al cobre "
Esa unión evita que el nitreno volátil se apague y realice una química destructiva con lo que se interponga en su camino. Cuando alguien se corta la pierna, por ejemplo, el cuerpo envía una especie de oxígeno reactivo, similar a estos radicales de nitreno.las especies reactivas de oxígeno atacan parásitos invasores o agentes infecciosos, pero también pueden dañar el ADN.
Entonces, para contener el nitreno reactivo, Carsch, el primer autor, construyó una jaula masiva en forma de ligando. El ligando, como arbustos orgánicos que rodean el par de nitreno de cobre, mantiene el catalizador intacto. Corte esos arbustos e introduzcaotra sustancia, como un enlace carbono-hidrógeno, y el ardiente nitreno se pone a trabajar.
Betley llama al catalizador una llave maestra, una herramienta con el potencial de desbloquear enlaces que de otro modo sería demasiado fuerte para usar en síntesis. "Con suerte, podemos generar estas especies químicas que ahora serán tan reactivas que harán que el"La mayoría de las sustancias inertes que tenemos a nuestro alrededor como algo con lo que podemos jugar", dijo. "Eso sería muy, muy poderoso". Dado que los bloques de construcción, como el cobre y las aminas, son abundantes y baratos, la llave maestrapodría desbloquear formas más prácticas de fabricar productos farmacéuticos o productos para el hogar.
Cuando Carsch hizo la molécula por primera vez, "literalmente estaba rebosando de alegría", dijo Betley. "Pensé: 'OK, tranquilízate'". Pero los resultados se volvieron más interesantes: el nitreno reacciona mejor de lo esperado aunquela molécula no tiene derecho a ser estable ", y la estructura de unión se veía diferente a cualquiera de los diseños propuestos durante las últimas seis décadas de investigación." Si lo hubiéramos propuesto desde el principio, creo que la gente se habría burlado de nosotros ".
A pesar de que Betley persiguió a esta esquiva especie, lo que Lancaster llama "caza mayor", desde que lanzó su laboratorio en 2007, le importa menos su victoria y más sus colaboradores. "Obtengo todo mi placer al verKurtis y mis otros estudiantes están muy entusiasmados con lo que realmente han podido hacer ". Carsch se enfrentó a los críticos y a los muros químicos, pero de todos modos persistió en su búsqueda." Me alegro de que sea terco, tan terco como yo ".Dijo Betley. Ambos podrían ser tan tercos como los lazos que ahora pueden romper.
En Cornell, cuando Lancaster y el estudiante de posgrado de quinto año DiMucci confirmaron los hallazgos, "envió un correo electrónico bastante colorido" al equipo de Betley. Pero él también le da crédito a sus colaboradores. DiMucci pasó siete días en el Stanford Synchrotron Radiation Lightsourceanalizando la estructura electrónica del catalizador con su equipo. "Sin sus nuevas capacidades experimentales", dijo Lancaster, "realmente no hubiéramos tenido la señal de ruido y el bajo fondo que hizo que identificar esta cosa fuera bastante fácil".
A continuación, el equipo podría inspirarse en este nuevo diseño para construir catalizadores con aplicaciones aún más amplias, como reflejar la forma en que la naturaleza convierte el metano peligroso en metanol ". Un verdadero santo grial sería decir, 'OK, ese enlace CHallí, ese en particular en esta molécula, quiero convertir eso en un enlace CN o un enlace CO '", dijo Lancaster. Ese puede ser un objetivo distante, pero su llamado" equipo ideal "podría ser el adecuado parabusca la solución.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Harvard . Original escrito por Caitlin McDermott-Murphy. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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