Ungefär en tredjedel av all schweizisk export härrör från grundläggande upptäckter inom syntetisk kemi. Vissa droger och parfymer, liksom mat och jordbruksprodukter - och till och med Ferraris berömda röda färg - härrör från nya molekylära strukturer som uppfanns av schweiziska forskare. Kemister vid universitetet i Genève (UNIGE), Schweiz, har just upptäckt att kemiska bindningar baserade på antimon, ett glömt element i mitten av det periodiska systemet, ge kraftfulla nya katalysatorer som kan användas för att stimulera omvandlingen av en molekyl inifrån. Dessa bindningar kompletterar existerande interaktioner såsom konventionella vätebindningar eller de nyare kalkogenbindningarna med svavel. Detta fynd, publiceras i tidskriften Angewandte Chemie , kan leda till skapandet av nya, innovativa material. Det har utlöst en liten revolution bland syntetiska kemister, som alltid hade trott att det fanns en gräns för antalet möjliga bindningar för att bygga nya katalysatorer.

Grundläggande forskning inom kemi kräver kreativitet. Men kemister behöver specifika verktyg. För att inducera en molekylär transformation, substratmolekylen måste komma i kontakt med ett element i katalysatorn. Under normala förhållanden, den bindningen är väte. Men de kreativa möjligheterna minskar när de begränsas till detta enda element. Att hitta nya sätt att initiera kontakt mellan molekyler skulle göra det möjligt att omvandla dem annorlunda, därigenom gör det möjligt för kemister att skapa nya material. "Det är därför mitt team ständigt letar efter nya bindningar för katalys, "förklarar Stefan Matile, professor vid institutionen för organisk kemi vid UNIGE:s naturvetenskapliga fakultet. "Efter att ha upptäckt den svavelbaserade bindningen för katalys, kalkogen, två år sedan, vi bestämde oss för att titta på en annan kategori i det periodiska systemet, pnictogen element, som utmärks av sina metalliska komponenter. "Kväve, fosfor, arsenik, antimon och vismut tillhör alla denna kategori.

Att hitta nya band för katalysen kräver innovation. "Forskning fokuserar vanligtvis på att studera elementenas elektroner. Vi tog motsatsen - vi undersökte bara de tomma utrymmen som elektronerna lämnade, som är avgörande för molekylär konstruktion, så att vi kunde leta efter möjliga nya interaktioner, "säger professor Matile. Tunga pnictogen -element, som mogna frukter, är mer flexibla och deformerbara än väte, som är väldigt kompakt. De tomma utrymmena är alltså mer tillgängliga och begripliga för kemisterna.

Sju element valdes ut av UNIGE-forskarna. "Teoretiska beräkningar ger en bättre visualisering av de tomma utrymmena, säger Amalia I. Poblador-Bahamande, en forskare vid Institutionen för organisk kemi vid Naturvetenskapliga fakulteten. "Det var därför vi först utförde datormodellering av de sju elementen ensam så att vi kunde visualisera var både elektronerna och de tomma utrymmena fanns. Vi gjorde det sedan igen med molekylerna som skulle testas för att mäta styrkan hos den nya bindningen ." Ju mer synliga molekylens tomma utrymmen blev, ju bättre bindningen fungerar, och desto bättre är elementet som katalysator. I detta teoretiska skede, antimon visade sig vara det bästa av de sju elementen som testades. Fynden uppmuntrade kemisterna att fokusera på grundämnen längst ner i det periodiska systemet, ett område som är lite utforskat inom organisk kemi.

Baserar sitt arbete på den teoretiska modelleringen, kemisterna studerade bindningarna med hjälp av kärnmagnetisk resonans, vilket gör det möjligt att visualisera molekylerna och transformationerna i deras struktur. "Våra resultat överensstämde helt med de teoretiska förutsägelserna, säger Sebastian Benz, en Ph.D. student i professor Matiles team. "Antimony visade sig vara extremt effektivt än en gång, upp till 4, 000 gånger snabbare än de andra elementen som testades för att skapa en ny struktur. "

Antimon visade sig vara en överraskning för UNIGE-forskarna. Det användes som ögonmakeup i det gamla Egypten innan det föll i glömska. Denna forskning sätter elementet tillbaka i rampljuset, allt tack vare de exceptionella egenskaper den visade för molekylär transformation. "Antimony är inte bara ultrasnabb utan också - till skillnad från andra katalysatorer som verkar på molekylens yta - det fungerar inifrån. Detta påverkar hela materialets miljö och gör det möjligt för kemisten att vara mer exakt när han utför omvandlingarna, säger professor Matile.

Pniktogenbindningarna med antimon är de tredje bindningarna för katalys som upptäckts av UNIGE-kemisterna, efter anjon-π-bindningar och kalkogenbindningar med svavel. Alla tre introducerar nya sätt att se på molekylära transformationer och öppnar outprövade utsikter. "Vi tänker inte sluta där, självklart. Vi kommer att fortsätta leta efter nya obligationer och sätt på vilka vi kan använda dem, "säger professor Matile. Forskarna har utvecklat de första enzymerna som arbetar med anjon-π-bindningar, gjord i National Centre of Competence in Research (NCCR) Molecular Systems Engineering, och de första fluorescerande sonderna som kan visualisera mekaniska krafter i levande celler tack vare kalkogenbindningar med svavel, gjord i NCCR Chemical Biology vid UNIGE.