För första gången upptäckte forskare ett enkelt och mycket effektivt sätt att producera vissa typer av organiska föreningar. Teamet från Institutionen för kemi vid University of Tokyo rapporterar att deras nya metod - som använder en ny järnkatalysator - inte bara kan förenkla organisk syntes utan skulle avsevärt minska kostnaderna och minska på avfallsprodukter. Detta kan få enorma konsekvenser för industrier som läkemedel, petrokemikalier, material med mera.

Organiska föreningar är viktiga för i stort sett allt. Listan är oändlig:bränslen, mediciner, mat, tvättmedel, lösningsmedel, plast och såklart livet självt. Organiska kemikalier finns bokstavligen överallt, även rymdens kalla djup. Det finns många olika sorter, en del är gjorda av levande organismer och en del syntetiseras i laboratorier genom komplexa kemiska processer. Dessa processer har ekonomiska och materiella kostnader som professor Eiichi Nakamura, huvudforskare av studien, syftar till att skära.

"Jag kände mig lockad att undersöka användningen av järn som en katalysator för att påskynda reaktioner, " sa Nakamura. "Det är spännande hur det å ena sidan är billigt, riklig och giftfri, men å andra sidan är det svårt att kontrollera järns katalytiska förmåga på grund av dess komplexa elektroniska beteende."

Så hur kan järn hjälpa till att minska kostnaderna?

Allt handlar om hur komponentmolekyler binder samman för att bilda mer komplexa sådana som de alltid så användbara organiska föreningarna som nämns ovan. Dessa är vanligtvis kombinationer av enkla kolväten - molekyler med kol-väte (CH)-bindningar - i specifika arrangemang. Olika CH-bindningar kombineras för att producera olika funktionalitet i den resulterande föreningen.

Dock, lämnas åt sina egna enheter, många CH-bindningar tenderar att binda till andra identiska bindningar vilket inte ger en användbar produkt. Detta kallas homokoppling och resultatet betraktas som avfall. Vad Nakamura och kollegor har gjort är att finjustera en första i sitt slag järnkatalysator så att den väljer vilka CH-bindningar som ska kombineras och vilka bindningspar som ska förkastas. På så sätt blir det mindre homokoppling och mindre totalavfall.

"Vår grupp har undersökt reaktiviteten hos järnkatalysatorer i över 10 år, " fortsatte Nakamura. "Den svåraste delen av forskningen, men också det mest givande, förklarade mekanismen bakom de reaktioner vi sökte."

Denna mekanism är en serie händelser som tar en mängd källmolekyler, främst de enkla kolväten som kemisten vill binda, och levererar en mängd mer komplexa föreningar efter en viss tid.

Dessa händelser äger rum i reaktionskärl där atomer och till och med subatomära komponenter flyttas runt och kastas efter behov av olika ämnen som styr reaktionerna.

Men som scenen för all denna handling är järnkatalysatorn, utan vilka kolvätena inte skulle ha någonstans att utföra sin kemiska dans. I denna analogi spelar katalysatorn också koreograf, orkestrerar dessa rutiner på atomnivå.

Med händelser som händer i så liten skala, det är svårt att föreställa sig hur Nakamura och hans team faktiskt kan veta vad som händer men de har smarta knep för att se föreställningen utan att störa de ökända dansarna.

"Vi märkte en CH-bindning med en isotop av väte som kallas deuterium, stoppade sedan reaktionen halvvägs för att mäta hur detta deuterium hade förändrats, ", avslutade Nakamura. "Vi såg att deuterium hade bundit med reaktionsmedel på ett så specifikt sätt att det starkt stöder min teoretiserade mekanism. Det är ett av de mest spännande resultaten jag någonsin sett."