Forscher entdecken chemische Reaktionen, die ein überraschendes Molekül verwenden

El Sorprendente Mundo De Los Microorganismos DOCUMENTALES DE CIENCIA,DISCOVERY,NATIONAL GEOGRAPHIC (April 2019).

Anonim

Mehr als ein Jahrzehnt lang, Mitte des 20. Jahrhunderts, diskutierten Chemiker genau, welche "Carbokationen" - Moleküle mit einem positiv geladenen Kohlenstoffatom - aussahen. Die sogenannte "klassische Sichtweise", die zu Beginn dieses Jahrhunderts gelehrt wurde, besagt, dass der Kohlenstoff in diesen Molekülen die Ladung enthielt; Die "nicht-klassische Sichtweise" besagt, dass die Ladung auch von anderen Atomen in der Nähe geteilt werden könnte. Sowohl die Theorie als auch das Experiment bewiesen schließlich, dass nicht-klassische Carbokationen existierten, und die Debatte verschwand. Selbst wenn diese Strukturen existieren, hatten die meisten Chemiker geglaubt, dass sie keine praktische Relevanz hatten.

Jetzt haben UCLA-Forscher eine chemische Reaktion entdeckt, die eines Tages dazu dienen könnte, Erdöl zu nützlichen Verbindungen zu verarbeiten, in denen nicht-klassische Carbokationen eine Schlüsselrolle spielen. Die Ergebnisse, die am 27. Juli in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurden, unterstreichen die Bedeutung von nicht-klassischen Kationen-Ionen mit weniger Elektronen als Protonen und damit eine positive Ladung. Die Ergebnisse bieten auch eine neue Reaktion auf die Verarbeitung von Alkanen, Chemikalien, die in Methan- und Propangasen vorkommen, die sich notorisch schwer in andere Produkte umwandeln lassen.

"Es gibt diese Reaktion mit viel praktischem Potential, und diese überraschende Chemie hinter der Reaktion", sagte Hosea Nelson, eine UCLA Assistenzprofessorin für Chemie und Biochemie und leitende Autorin der Studie.

"Jetzt haben wir gezeigt, wie wichtig diese Spezies für die Erklärung von Reaktivität und Selektivität sind", sagte Kendall Houk, Saul Winstein-Professor der UCLA für Organische Chemie, ein Co-Autor der neuen Forschung. Winstein war ein UCLA-Professor und ein Champion des nicht-klassischen Ionen-Konzepts. Durch seine Arbeit wurde UCLA als eine führende Universität für das Studium von Carbokationen bekannt, sagte Miguel García-Garibay, Dekan der UCLA Abteilung für physikalische Wissenschaften und Professor für Chemie und Biochemie.

Nelsons Labor konzentriert sich auf die Entwicklung neuer chemischer Reaktionen, die bei der Herstellung von Arzneimitteln und der Verarbeitung unerwünschter Abfallprodukte praktische Anwendung finden.

"Unser Ziel ist es, Schornsteinmüll aus einer Raffinerie zu nehmen und ihn in Arzneimittel umzuwandeln", sagte Nelson. Alkane aus dieser Art von Abfall haben ein besonderes Problem, weil sie chemisch sehr stabil sind, sagte er. Das heißt, es ist schwierig, die Bindungen zu zerlegen, die diese Moleküle zusammenhalten.

Letztes Jahr jedoch entdeckten Nelson und seine Kollegen eine chemische Reaktion, die Alkane effektiv in ein chemisch nützliches Nebenprodukt umzuwandeln schien. Es gab nur ein Problem, sagte Nelson. "Hier war diese sehr starke Reaktion, aber wir konnten nicht erklären, wie oder warum es funktionierte", sagte er. Er tat sich mit Houk zusammen, um eine Erklärung zu bekommen.

Als die Forscher die Reaktion mit modernen Berechnungsmethoden weiter analysierten, fanden sie heraus, dass die Reaktion die Bildung eines nicht-klassischen Carbokations beinhaltet.

"Das war ein überraschendes fundamentales Ergebnis", sagte Nelson. "Es bringt eine Menge anderer Fragen mit sich, und wir denken, dass die Nichtklassizität dieser Reaktionen uns erlauben wird, viele Regeln der chemischen Synthese zu brechen, um neue Arten von Reaktionen zu entwickeln."

Da die Ladung auf mehrere Atome aufgeteilt ist - das nicht-klassische Modell - hat das Molekül mehr Flexibilität, um eine Vielzahl von Reaktionen zu durchlaufen, einschließlich solcher, die benötigt werden, um die starken Bindungen von Alkanen aufzubrechen. Nur wenn man sich die Reaktionen mit der Molekulardynamik anschaut und die Bewegungen der Atome als Reaktionen verfolgt, können die Reaktionen verstanden werden.

"Wir haben eine völlig neue Art entwickelt, über Reaktionen durch unsere Molekulardynamik-Simulationen nachzudenken", sagte Houk.

Zur Zeit werden die Alkane nicht direkt in Medikamente umgewandelt, sondern in andere Chemikalien, die bei der Verarbeitung von Medikamentenmolekülen nützlich sein könnten. Nelson vermutet, dass die Reaktion auch dazu genutzt werden kann, die in einigen biologisch nicht abbaubaren Kunststoffen gefundenen langen Alkanmoleküle auseinander zu brechen. Seine Gruppe verfolgt beide Anwendungen genauer.

menu
menu