Pour faire du savon, il suffit d'insérer un atome d'oxygène dans une liaison carbone-hydrogène. La recette peut sembler simple. Mais les liaisons carbone-hydrogène, comme du chewing-gum coincé dans les cheveux, sont difficiles à séparer. Puisqu'ils constituent la base de bien plus qu'un simple savon, trouver un moyen de briser cette paire têtue pourrait révolutionner la façon dont les industries chimiques produisent tout, des produits pharmaceutiques aux articles ménagers.

Maintenant, des chercheurs de l'Université Harvard et de l'Université Cornell l'ont fait :pour la première fois, ils ont découvert exactement comment un catalyseur de cuivre-nitrène réactif, qui, comme le beurre de cacahuète, servait à desserrer l'adhérence de la gomme sur les cheveux, aide à déclencher une réaction chimique - pourrait transformer l'une de ces fortes liaisons carbone-hydrogène en une liaison carbone-azote, un élément précieux pour la synthèse chimique.

Dans un article publié en Science , Kurtis Carsch, un doctorat étudiant à la Graduate School of Arts and Sciences de l'Université Harvard, Ted Betley, le professeur Erving de chimie à Harvard, Kyle Lancaster, Professeur agrégé de chimie à l'Université Cornell, et leur équipe de collaborateurs, non seulement décrire comment un catalyseur réactif cuivre-nitrène exerce sa magie, mais aussi comment mettre en bouteille l'outil pour briser ces liaisons carbone-hydrogène tenaces et fabriquer des produits comme des solvants, détergents, et des teintures avec moins de déchets, énergie, et le coût.

Les industries forgent souvent la base de ces produits (amines) par le biais d'un processus en plusieurs étapes :les matières premières alcanes sont converties en molécules réactives, souvent avec un coût élevé, catalyseurs parfois nocifs. Puis, le substrat transformé a besoin d'échanger un groupe chimique, qui nécessite souvent un tout nouveau système catalytique. Éviter cette étape intermédiaire - et à la place insérer instantanément la fonction souhaitée directement dans le matériau de départ - pourrait réduire les matériaux globaux, énergie, Coût, et potentiellement même la toxicité du processus.

C'est ce que Betley et son équipe avaient l'intention de faire :trouver un catalyseur qui pourrait sauter les étapes chimiques. Même si les chercheurs ont recherché la composition exacte d'un catalyseur réactif cuivre-nitrène pendant plus d'un demi-siècle et ont même émis l'hypothèse que le cuivre et l'azote pourraient être au cœur de l'outil chimique, la formation exacte des électrons de la paire est restée inconnue. "Les électrons sont comme l'immobilier, homme. L'emplacement est tout, " a déclaré Betley.

"La disposition des électrons dans une molécule est intimement liée à sa réactivité, " dit Lancastre, qui, avec Ida DiMucci, un étudiant diplômé dans son laboratoire, aidé à établir les inventaires d'électrons sur le cuivre et l'azote. En utilisant la spectroscopie aux rayons X pour trouver les énergies où les photons seraient absorbés - la marque de l'absence d'un électron - ils ont trouvé deux trous distincts sur l'azote.

"Cette saveur d'azote - dans laquelle il manque ces deux électrons - est impliquée dans la réactivité depuis des décennies, mais personne n'a fourni de preuves expérimentales directes pour une telle espèce."

Ils ont maintenant. Typiquement, si un atome de cuivre se lie à un azote, les deux cèdent une partie de leurs électrons pour former une liaison covalente, dans lequel ils partagent équitablement les électrons. "Dans ce cas, " Betley a dit, "c'est l'azote avec deux trous dessus, donc il a deux radicaux libres et il est juste lié par une seule paire dans le cuivre."

Cette liaison empêche le nitrène volatil de s'envoler et d'effectuer une chimie destructrice avec tout ce qui se trouve sur son chemin. Quand quelqu'un se coupe la jambe, par exemple, le corps envoie une espèce réactive de l'oxygène, similaires à ces radicaux nitrène. Les espèces réactives de l'oxygène attaquent les parasites envahissants ou les agents infectieux, mais ils peuvent endommager l'ADN, trop.

Donc, contenir le nitrène réactif, le premier auteur Carsch a construit une cage massive sous la forme d'un ligand. Le ligand, comme les arbustes organiques entourant la paire cuivre-nitrène, maintient le catalyseur intact. Coupez ces arbustes et introduisez une autre substance, comme une liaison carbone-hydrogène, et le nitrène ardent se met au travail.

Betley appelle le catalyseur un passe-partout, un outil avec le potentiel de débloquer des liaisons qui seraient autrement trop fortes pour être utilisées en synthèse. "Avec un peu de chance, nous pouvons générer ces espèces chimiques qui vont maintenant être si réactives qu'elles rendent le type de substances les plus inertes que nous avons autour de nous comme quelque chose avec lequel nous pouvons jouer, " dit-il. " Ce serait vraiment, vraiment puissant. » Puisque les blocs de construction, comme le cuivre et les amines, sont abondants et bon marché, la clé squelette pourrait débloquer des moyens plus pratiques de fabriquer des produits pharmaceutiques ou ménagers.

Lorsque Carsch a créé la molécule pour la première fois, " il bondissait littéralement de joie, " Betley a dit. " J'étais comme, 'D'ACCORD, s'installer.'" Mais les résultats sont devenus plus intéressants :le nitrène réagit mieux que prévu même si "la molécule n'a pas le droit d'être stable, " et la structure de liaison semblait différente de toutes les conceptions proposées au cours des six dernières décennies de recherche. " Si nous l'avions proposé au départ, Je pense que les gens se seraient moqués de nous."

Même si Betley a chassé cette espèce insaisissable - ce que Lancaster appelle "la chasse au gros gibier" - depuis qu'il a lancé son laboratoire en 2007, il se soucie moins de sa victoire et plus de ses collaborateurs. "Je prends tout mon plaisir à voir Kurtis et mes autres étudiants devenir super excités par ce qu'ils ont réellement pu faire." Carsch a fait face à la fois aux critiques et aux murs chimiques, mais a néanmoins persisté dans sa chasse. "Je suis content qu'il soit têtu, aussi têtu que je suis, " a déclaré Betley. Ils pourraient tous les deux être aussi têtus que les liens qu'ils peuvent maintenant briser.

A Cornell, lorsque Lancaster et l'étudiant diplômé de cinquième année DiMucci ont confirmé les résultats, il a "envoyé un e-mail plutôt coloré" à l'équipe de Betley. Mais il, trop, crédite ses collaborateurs. DiMucci a passé sept jours à la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford à analyser la structure électronique du catalyseur avec son équipe. "Sans leurs nouvelles capacités expérimentales, " Lancaster dit, "Nous n'aurions vraiment pas eu le signal sur bruit et le faible bruit de fond qui ont rendu l'identification de cette chose assez facile."

Prochain, l'équipe pourrait s'inspirer de ce nouveau design pour construire des catalyseurs avec des applications encore plus larges, comme refléter la façon dont la nature convertit le méthane dangereux en méthanol. "Un vrai Graal serait de dire, 'D'ACCORD, cette liaison C-H là-bas, celui-là en particulier dans cette molécule, Je veux transformer cela en une obligation C-N ou une obligation C-O, '", a déclaré Lancaster. C'est peut-être un objectif lointain, mais sa soi-disant « équipe de rêve » pourrait être la bonne pour traquer la solution.