I mer än ett decennium i mitten av 1900-talet, kemister diskuterade exakt hur "karbokationer" - molekyler med en positivt laddad kolatom - såg ut. Det som är känt som "den klassiska synen, "som lärdes ut i början av det århundradet, uppgav att kolet i dessa molekyler höll laddningen; den "icke-klassiska uppfattningen" ansåg att laddningen också kunde delas av andra närliggande atomer. Både teori och experiment visade så småningom att icke-klassiska karbokater existerade, och debatten försvann. Även om dessa strukturer finns, de flesta kemister trodde, de hade ingen praktisk relevans.

Nu, UCLA-forskare har upptäckt en kemisk reaktion - som en dag kan användas för att bearbeta petroleum till användbara föreningar - där icke-klassiska karbokater spelar nyckelroller. Resultaten, publicerad 27 juli i tidskriften Vetenskap , understryker vikten av icke-klassiska katjoner – joner med färre elektroner än protoner, och därmed en positiv laddning. Fynden erbjuder också en ny reaktion på att bearbeta alkaner, kemikalier som finns i metangaser och propangaser som är notoriskt svåra att omvandla till andra produkter.

"Det finns både den här reaktionen med mycket praktisk potential, och denna överraskande kemi bakom reaktionen, sa Hosea Nelson, en UCLA biträdande professor i kemi och biokemi och senior författare till studien.

"Nu har vi visat vikten av dessa arter för att förklara reaktivitet och selektivitet, sa Kendall Houk, UCLA:s Saul Winstein professor i organisk kemi, en medförfattare till den nya forskningen. Winstein var en UCLA-professor och en förkämpe för det icke-klassiska jonkonceptet. Genom sitt arbete, UCLA blev känt som ett främsta universitet för studier av kolhydrater, sa Miguel García-Garibay, dekanus vid UCLA-avdelningen för fysikaliska vetenskaper och professor i kemi och biokemi.

Nelsons laboratorium fokuserar på att utveckla nya kemiska reaktioner som har praktisk användning för att skapa läkemedel och bearbeta oönskade avfallsprodukter.

"Vårt mål är att ta skorstensskräp från ett raffinaderi och förvandla det till läkemedel, ", sa Nelson. Alkaner från denna typ av avfall har utgjort ett särskilt problem eftersom de är mycket kemiskt stabila, han sa. Det betyder att det är svårt att bryta isär bindningarna som håller ihop dessa molekyler.

Förra året, dock, Nelson och hans kollegor upptäckte en kemisk reaktion som verkade effektivt förändra alkaner till en biprodukt som är mer kemiskt användbar. Det var bara ett problem, sa Nelson. "Här var denna mycket kraftfulla reaktion, men vi kunde inte förklara hur eller varför det fungerade, " sa han. Han slog sig ihop med Houk för att få en förklaring.

När forskarna ytterligare analyserade reaktionen med moderna beräkningsmetoder, de fann att reaktionen involverar bildning av en icke-klassisk karbokatjon.

"Detta var ett överraskande grundläggande fynd, " sa Nelson. "Det introducerar många andra frågor, och vi tror att icke-klassiciteten hos dessa reaktioner kommer att tillåta oss att bryta många av reglerna för kemisk syntes för att utveckla nya typer av reaktioner."

Eftersom laddningen delas mellan flera atomer - den icke-klassiska modellen - har molekylen mer flexibilitet att genomgå en mängd olika reaktioner, inklusive de som behövs för att bryta isär de starka bindningarna av alkaner. Bara genom att titta på reaktionerna med molekylär dynamik, följa atomernas rörelser när reaktioner inträffar, kunde reaktionerna förstås.

"Vi har utvecklat ett helt nytt sätt att tänka på reaktioner genom våra simuleringar av molekylär dynamik, sa Houk.

Tills vidare, alkanerna omvandlas inte direkt till droger, utan snarare till andra kemikalier som kan vara användbara vid bearbetning av läkemedelsmolekyler. Nelson misstänker att reaktionen också är användbar för att bryta isär de långa alkanmolekylerna som finns i vissa icke-biologiskt nedbrytbara plaster. Hans grupp driver båda ansökningarna mer i detalj.