Para fazer sabonete, basta inserir um átomo de oxigênio em uma ligação carbono-hidrogênio. A receita pode parecer simples. Mas as ligações carbono-hidrogênio, como chiclete preso no cabelo, são difíceis de separar. Uma vez que fornecem a base para muito mais do que apenas sabonete, encontrar uma maneira de romper esse par teimoso pode revolucionar a forma como as indústrias químicas produzem de tudo, desde produtos farmacêuticos a produtos domésticos.

Agora, pesquisadores da Harvard University e da Cornell University fizeram exatamente isso:pela primeira vez, eles descobriram exatamente como um catalisador reativo de cobre-nitreno - que, assim como a manteiga de amendoim usada para afrouxar o aperto da goma no cabelo, ajuda a estimular a ocorrência de uma reação química - poderia transformar uma dessas fortes ligações carbono-hidrogênio em uma ligação carbono-nitrogênio, um valioso bloco de construção para síntese química.

Em um artigo publicado em Ciência , Kurtis Carsch, um Ph.D. estudante da Escola de Graduação em Artes e Ciências da Universidade de Harvard, Ted Betley, o professor de química Erving em Harvard, Kyle Lancaster, Professor Associado de Química na Cornell University, e sua equipe de colaboradores, não apenas descreve como um catalisador reativo de cobre-nitreno realiza sua mágica, mas também como engarrafar a ferramenta para quebrar essas ligações teimosas de carbono-hidrogênio e fazer produtos como solventes, detergentes, e tintas com menos desperdício, energia, e custo.

As indústrias costumam criar a base de tais produtos (aminas) por meio de um processo de várias etapas:Primeiro, materiais alcanos brutos são convertidos em moléculas reativas, frequentemente com alto custo, às vezes catalisadores nocivos. Então, o substrato transformado precisa trocar um grupo químico, o que muitas vezes requer um novo sistema catalítico. Evitar essa etapa intermediária - e, em vez disso, inserir instantaneamente a função desejada diretamente no material de partida - poderia reduzir os materiais gerais, energia, custo, e potencialmente até a toxicidade do processo.

Era isso que Betley e sua equipe pretendiam fazer:encontrar um catalisador que pudesse ignorar as etapas químicas. Embora os pesquisadores tenham procurado a composição exata de um catalisador reativo de cobre-nitreno por mais de meio século e até mesmo especulado que o cobre e o nitrogênio podem ser o núcleo da ferramenta química, a formação exata dos elétrons do par permaneceu desconhecida. "Elétrons são como imóveis, cara. A localização é tudo, "Betley disse.

"A disposição dos elétrons em uma molécula está intimamente ligada à sua reatividade, "disse Lancaster, quem, junto com Ida DiMucci, um estudante de graduação em seu laboratório, ajudou a estabelecer os estoques de elétrons do cobre e do nitrogênio. Usando espectroscopia de raios-X para encontrar energias onde os fótons seriam absorvidos - a marca da ausência de um elétron - eles encontraram dois buracos distintos no nitrogênio.

"Este sabor de nitrogênio - no qual você tem esses dois elétrons ausentes - está implicado na reatividade há décadas, mas ninguém forneceu evidências experimentais diretas para tal espécie. "

Eles têm agora. Tipicamente, se um átomo de cobre se liga a um nitrogênio, ambos abrem mão de alguns de seus elétrons para formar uma ligação covalente, em que eles compartilham os elétrons equitativamente. "Nesse caso, "Betley disse, "é o nitrogênio com dois orifícios, portanto, ele tem dois radicais livres e é apenas ligado por um único par ao cobre. "

Essa ligação evita que o nitreno volátil escape e execute uma química destrutiva com o que quer que esteja em seu caminho. Quando alguém recebe um corte na perna, por exemplo, o corpo envia uma espécie reativa de oxigênio, semelhantes a esses radicais nitrene. As espécies reativas de oxigênio atacam parasitas invasores ou agentes infecciosos, mas eles podem danificar o DNA, também.

Então, para conter o nitreno reativo, O primeiro autor Carsch construiu uma enorme gaiola na forma de um ligante. O ligante - como arbustos orgânicos em torno do par de nitreno de cobre - mantém o catalisador intacto. Corte aquele arbusto e introduza outra substância - como uma ligação carbono-hidrogênio - e o nitrene ardente começa a trabalhar.

Betley chama o catalisador de chave mestra, uma ferramenta com potencial para desbloquear vínculos que, de outra forma, seriam fortes demais para serem usados ​​na síntese. "Esperançosamente, podemos gerar essas espécies químicas que agora vão ser tão reativas que tornam as substâncias mais inertes que temos ao nosso redor como algo com que podemos brincar, "ele disse." Isso seria realmente, realmente poderoso. "Como os blocos de construção - como cobre e aminas - são abundantes e baratos, a chave mestra pode desbloquear maneiras mais práticas de fazer produtos farmacêuticos ou domésticos.

Quando Carsch fez a molécula pela primeira vez, "ele estava literalmente pulando de alegria, "Betley disse." Eu estava tipo, 'OK, estabilizar. '"Mas os resultados ficaram mais interessantes:o nitreno reage melhor do que o esperado, embora" a molécula não tenha o direito de ser estável, "e a estrutura de ligação parecia diferente de qualquer um dos projetos propostos durante as últimas seis décadas de pesquisa." Se a tivéssemos proposto no início, Eu acho que as pessoas teriam zombado de nós. "

Mesmo que Betley tenha perseguido esta espécie indescritível, o que Lancaster chama de "caça grande", desde que lançou seu laboratório em 2007, ele se preocupa menos com sua vitória e mais com seus colaboradores. "Fico feliz em ver Kurtis e meus outros alunos super entusiasmados com o que realmente são capazes de fazer." Carsch enfrentou tanto críticos quanto barreiras químicas, mas persistiu em sua caça mesmo assim. "Estou feliz que ele seja teimoso, tão teimoso quanto eu, "Betley disse. Ambos podem ser tão teimosos quanto os laços que agora podem quebrar.

Em Cornell, quando Lancaster e o estudante DiMucci do quinto ano confirmaram os resultados, ele "enviou um e-mail bastante colorido" para a equipe Betley. Mas ele, também, credita seus colaboradores. DiMucci passou sete dias no Stanford Synchrotron Radiation Lightsource analisando a estrutura eletrônica do catalisador com sua equipe. "Sem seus novos recursos experimentais, "Lancaster disse, "Nós realmente não teríamos sinal para ruído e o fundo baixo que tornava a identificação dessa coisa muito fácil."

Próximo, a equipe pode se inspirar neste novo design para construir catalisadores com aplicações de alcance ainda mais amplo, como espelhar a maneira da natureza de converter metano perigoso em metanol. "Um verdadeiro Santo Graal seria dizer, 'OK, aquela ligação C-H lá, aquele particular nesta molécula, Eu quero transformar isso em uma ligação C-N ou uma ligação C-O, '"Lancaster disse. Esse pode ser um objetivo distante, mas seu chamado "time dos sonhos" pode ser o certo para encontrar a solução.