Att göra tvål, sätt bara in en syreatom i en kol-vätebindning. Receptet kan låta enkelt. Men kol-vätebindningar, som tuggummi fastnat i håret, är svåra att dra isär. Eftersom de ger grunden för mycket mer än bara tvål, Att hitta ett sätt att bryta det envisa paret kan revolutionera hur kemisk industri tillverkar allt från läkemedel till hushållsartiklar.

Nu, forskare vid Harvard University och Cornell University har gjort just det:För första gången, de upptäckte exakt hur en reaktiv koppar-nitrenkatalysator-som liksom jordnötssmöret använde för att lossa tandköttet på håret, hjälper till att knuffa fram en kemisk reaktion-kan omvandla en av de starka kol-vätebindningarna till en kol-kvävebindning, en värdefull byggsten för kemisk syntes.

I ett papper publicerat i Vetenskap , Kurtis Carsch, en doktorsexamen student vid Graduate School of Arts and Sciences vid Harvard University, Ted Betley, Erving -professor i kemi vid Harvard, Kyle Lancaster, Docent i kemi vid Cornell University, och deras team av medarbetare, inte bara beskriva hur en reaktiv koppar-nitren-katalysator utför sin magi, men också hur man flaskar verktyget för att bryta de envisa kol-vätebindningarna och göra produkter som lösningsmedel, tvättmedel, och färgämnen med mindre avfall, energi, och kostnad.

Industrier skapar ofta grunden för sådana produkter (aminer) genom en process i flera steg:För det första råa alkanmaterial omvandlas till reaktiva molekyler, ofta med hög kostnad, ibland skadliga katalysatorer. Sedan, det transformerade substratet behöver byta ut en kemisk grupp, som ofta kräver ett helt nytt katalytiskt system. Att undvika det mellanliggande steget - och istället direkt sätta in önskad funktion direkt i utgångsmaterialet - kan minska det totala materialet, energi, kosta, och eventuellt till och med processens toxicitet.

Det är vad Betley och hans team siktade på att göra:Hitta en katalysator som kan hoppa över kemiska steg. Även om forskare har jaktat efter den exakta sammansättningen av en reaktiv koppar-nitrenkatalysator i över ett halvt sekel och till och med spekulerat i att koppar och kväve kan vara kärnan i det kemiska verktyget, den exakta bildningen av parets elektroner förblev okänd. "Elektroner är som fastigheter, man. Platsen är allt, "Sa Betley.

"Elektronernas disposition i en molekyl är nära knuten till dess reaktivitet, "sa Lancaster, WHO, tillsammans med Ida DiMucci, en doktorand i sitt labb, hjälpte till att etablera inventeringar av elektroner på koppar och kväve. Genom att använda röntgenspektroskopi för att hitta energier där fotoner skulle absorberas-märket av en elektron frånvaro-hittade de två distinkta hål på kvävet.

"Denna smak av kväve - där du saknar dessa två elektroner - har varit inblandad i reaktivitet i decennier, men ingen har tillhandahållit direkta experimentella bevis för en sådan art. "

De har nu. Vanligtvis, om en kopparatom binder till ett kväve, båda ger upp några av sina elektroner för att bilda en kovalent bindning, där de delar elektronerna på ett rättvist sätt. "I detta fall, "Sa Betley, "det är kvävet med två hål på det, så den har två fria radikaler och den är bara bunden av ett ensamt par i koppar. "

Denna bindning hindrar den flyktiga nitren från att susa av och utföra destruktiv kemi med vad som än kommer i vägen. När någon får ett snitt på benet, till exempel, kroppen skickar ut en reaktiv syretyp, liknande dessa nitrenradikaler. De reaktiva syrearterna angriper invaderande parasiter eller smittämnen, men de kan skada DNA, för.

Så, för att innehålla reaktivt nitren, förstförfattaren Carsch byggde en massiv bur i form av en ligand. Liganden - som organiska buskar som omger kopparnitrenparet - håller katalysatorn intakt. Skär bort busken och introducera en annan substans-som en kol-vätebindning-och den brinnande nitrenen fungerar.

Betley kallar katalysatorn för en skelettnyckel, ett verktyg med potential att låsa upp bindningar som annars skulle vara för starka att använda vid syntes. "Förhoppningsvis, vi kan generera dessa kemiska arter som nu kommer att vara så reaktiva att de gör den mest inerta typen av ämnen vi har runt oss som något vi kan leka med, "sa han." Det skulle verkligen vara, verkligen kraftfull. "Eftersom byggstenarna - som koppar och aminer - är rikliga och billiga, skelettnyckeln kan låsa upp mer praktiska sätt att tillverka läkemedel eller hushållsprodukter.

När Carsch först gjorde molekylen, "han var bokstavligen begränsad av glädje, "Sa Betley." Jag var som, 'OK, "Men resultaten blev mer intressanta:nitren reagerar bättre än väntat trots att" molekylen inte har någon rätt att vara stabil, "och bindningsstrukturen såg annorlunda ut än någon av de design som föreslogs under de senaste sex decennierna av forskning." Hade vi föreslagit det från början, Jag tror att folk skulle ha hånat oss. "

Även om Betley jagade denna svårfångade art - vad Lancaster kallar "jakt på storvilt" - sedan han lanserade sitt labb 2007, han bryr sig mindre om sin vinst och mer om sina medarbetare. "Jag får all min glädje av att se Kurtis och mina andra elever bli superglada över vad de faktiskt har kunnat göra." Carsch mötte både kritiker och kemiska väggar men fortsatte ändå i jakten. "Jag är glad att han är envis, lika envis som jag är, "Sa Betley. De kan vara lika envisa som de band de nu kan bryta.

På Cornell, när Lancaster och femteårs doktorand DiMucci bekräftade resultaten, han "skickade ett ganska färgstarkt mejl" till Betley -laget. Men han, för, krediterar hans medarbetare. DiMucci tillbringade sju dagar på Stanford Synchrotron Radiation Lightsource för att analysera katalysatorns elektroniska struktur med sitt team. "Utan deras nya experimentella kapacitet, "Sa Lancaster, "Vi hade verkligen inte haft signalen till buller och den låga bakgrunden som gjorde det lätt att identifiera det här."

Nästa, laget kunde hämta inspiration från denna nya design för att bygga katalysatorer med ännu mer omfattande applikationer, som att spegla naturens sätt att omvandla farlig metan till metanol. "En riktig helig gral skulle vara att säga, 'OK, den C-H-bindningen där, just den i denna molekyl, Jag vill göra det till en C-N-bindning eller en C-O-bindning, "Sa Lancaster. Det kan vara ett avlägset mål, men hans så kallade "drömlag" kan vara den rätta att jaga lösningen.