Para hacer jabón simplemente inserte un átomo de oxígeno en un enlace carbono-hidrógeno. La receta puede parecer sencilla. Pero los enlaces carbono-hidrógeno, como goma de mascar pegada en el cabello, son difíciles de separar. Dado que proporcionan la base para mucho más que jabón, Encontrar una manera de romper esa pareja obstinada podría revolucionar la forma en que las industrias químicas producen de todo, desde productos farmacéuticos hasta artículos para el hogar.

Ahora, Los investigadores de la Universidad de Harvard y la Universidad de Cornell han hecho precisamente eso:por primera vez, descubrieron exactamente cómo un catalizador reactivo de cobre-nitreno, que al igual que la mantequilla de maní solía aflojar el agarre de la goma de mascar sobre el cabello, ayuda a impulsar una reacción química; podría transformar uno de esos fuertes enlaces carbono-hidrógeno en un enlace carbono-nitrógeno, un valioso bloque de construcción para la síntesis química.

En un artículo publicado en Ciencias , Kurtis Carsch, un doctorado estudiante de la Escuela de Graduados en 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 de colaboradores, no solo describe 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 disolventes, detergentes, y tintes 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 crudos se convierten en moléculas reactivas, a menudo con alto costo, catalizadores a veces nocivos. Luego, el sustrato transformado necesita intercambiar un grupo químico, que a menudo requiere un sistema catalítico completamente nuevo. Evitar ese paso intermedio y, en cambio, insertar instantáneamente la función deseada directamente en el material de partida, podría reducir los materiales en general, energía, costo, y potencialmente incluso la toxicidad del proceso.

Eso es lo que Betley y su equipo pretendían hacer:encontrar un catalizador que pudiera omitir 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 y el nitrógeno podrían 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, OMS, junto con Ida DiMucci, un estudiante de posgrado en su laboratorio, ayudó a establecer los inventarios de electrones sobre el cobre y el nitrógeno. Usando espectroscopía de 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 del nitrógeno, en el que faltan estos dos electrones, ha estado implicado en la reactividad durante décadas, pero nadie ha proporcionado evidencia experimental directa para tal especie ".

Tienen ahora. Típicamente, si un átomo de cobre se une a un nitrógeno, ambos ceden algunos de sus electrones para formar un enlace covalente, en el que comparten los electrones de manera equitativa. "En este caso, "Betley dijo, "es el nitrógeno 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 escape y realice una química destructiva con cualquier cosa 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 nitreno. La especie de oxígeno reactivo ataca a los parásitos invasores o agentes infecciosos, pero pueden dañar el ADN, también.

Entonces, para contener el nitreno reactivo, Carsch, el primer autor, construyó una enorme jaula en forma de ligando. El ligando, como los arbustos orgánicos que rodean el par de nitreno de cobre, mantiene intacto el catalizador. Recorta esos arbustos e introduce otra sustancia, como un enlace carbono-hidrógeno, y el nitreno ardiente se pone a trabajar.

Betley llama al catalizador una llave maestra, una herramienta con el potencial de desbloquear vínculos que de otro modo serían demasiado fuertes para usar en síntesis. "Ojalá, podemos generar estas especies químicas que ahora van a ser tan reactivas que convierten el tipo de sustancias más inertes que tenemos a nuestro alrededor como algo con lo que podemos jugar, ", dijo." Eso sería realmente, realmente poderoso ". Dado que los componentes básicos, como el cobre y las aminas, son abundantes y baratos, la llave maestra podría desbloquear formas más prácticas de fabricar productos farmacéuticos o domésticos.

Cuando Carsch hizo por primera vez la molécula, "estaba literalmente saltando de alegría, "Betley dijo." Yo estaba como, 'OK, asentarse '". Pero los resultados se volvieron más interesantes:el nitreno reacciona mejor de lo esperado a pesar de que" la 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 ".

Aunque Betley persiguió a esta especie elusiva, lo que Lancaster llama "caza mayor", desde que lanzó su laboratorio en 2007, le importa menos su victoria y más sus colaboradores. "Disfruto mucho al ver a Kurtis y a mis otros estudiantes entusiasmados con lo que realmente han podido hacer". Carsch se enfrentó tanto a los críticos como a las paredes químicas, pero, no obstante, 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 graduado de quinto año DiMucci confirmaron los hallazgos, "envió un correo electrónico bastante colorido" al equipo de Betley. Pero él, también, acredita a sus colaboradores. DiMucci pasó siete días en Stanford Synchrotron Radiation Lightsource analizando la estructura electrónica del catalizador con su equipo. "Sin sus nuevas capacidades experimentales, "Lancaster dijo, "Realmente no hubiéramos tenido la señal del ruido y el bajo fondo que hizo que identificar esto fuera bastante fácil".

Próximo, el equipo podría inspirarse en este nuevo diseño para construir catalizadores con aplicaciones de mayor alcance, como reflejar la forma en que la naturaleza convierte el peligroso metano en metanol. "Un verdadero santo grial sería decir, 'OK, ese enlace C-H allí, ese en particular en esta molécula, Quiero convertir eso en un enlace C-N o un enlace C-O, '", Dijo Lancaster. Ese puede ser un objetivo lejano, pero su llamado "equipo de ensueño" podría ser el adecuado para buscar la solución.