Denne artikkelen er produsert og finansiert av Universitetet i Oslo - les mer.
Michele Cascella (til venstre) og Odile Eisenstein (Til høyre) ble inspirert av Agatha Christies mesterdetektiv Hercule Poirot i «Mord på Orientekspressen» da de skulle oppklare det 120 år gamle Grignard-mysteriet.(Foto: UiO / Shutterstock)
Forskerne oppklarte kjemi-mysterium ved å tenke som Poirot
– Alle de mistenkte var skyldige, ifølge to forskere.
De to kjemikerne fra Universitetet i Oslo visste at den vitenskapelige artikkelen de hadde skrevet kom til å vekke litt oppsikt, for de hadde jo avslørt den 120 år gamle Grignard-reaksjonens innerste hemmeligheter.
Dette er en berømt og viktig reaksjon, men den var fortsatt dårlig forstått.
Den vitenskapelige artikkelen ble publisert i Journal of the American Chemical Society i januar 2020.
Oppmerksomheten skyldes blant annet at dette er en av verdens aller mest kjente og anvendelige kjemiske reaksjoner, som er pensum på grunnkursene i organisk kjemi ved universiteter over hele verden.
Men hvordan reaksjonen egentlig fungerer, var det ingen som visste da Odile Eisenstein og Michele Cascella begynte sitt detektivarbeid for fem–seks år siden.
Det er for øvrig ikke langt mellom detektiv-referansene i denne saken, for Grignard-reaksjonen har lenge vært sett på som en «cold case», altså et gammelt og uløst mysterium.
Den organiske kjemiens fødsel
Den franske kjemikeren Victor Grignard oppdaget ikke bare reaksjonen som fikk hans navn, mener Cascella.
– Nei, for oppdagelsen fungerte også som den moderne organiske kjemiens fødsel. Dette var jo den første reaksjonen som kunne brukes til å skreddersy kjemiske bindinger mellom karbonatomer, forteller han.
– Når du har noen molekyler og vil bruke dem til å lage andre molekyler, må du i virkeligheten bryte kjemiske bindinger mellom noen atomer og etablere nye kjemiske bindinger mellom andre atomer, sier professor Eisenstein.
Hun forteller at det er vanskelig å bryte sterke bindinger, og den mellom to karbonatomer er veldig sterk.
– Francois Grignard ga oss den første reaksjonen som kunne brukes til å bryte og etablere nye bindinger mellom karbonatomer, utdyper hun.
Victor Grignards oppdagelse var så stor at den straks ble anerkjent blant andre forskere, til de grader at han fikk nobelprisen i kjemi allerede tolv år senere i 1912.
Deretter har reaksjonen blitt brukt til å lage så mange slags nyttige produkter at det er umulig å ramse opp alle sammen.
– Det er ekstra imponerende at Grignard oppdaget denne reaksjonen før de kjemiske bindingene var oppdaget, og før atomets struktur var ordentlig forstått, tilføyer Cascella.
Odile Eisenstein og Michele Cascella avslørte Grignard-mysteriet, som har forbløffet kjemikere i 120 år.(Foto: Privat)
Dette er Grignard-reaksjonen
Grignards oppdagelse begynner med at finknust magnesium lar seg oppløse i eter som er tilsatt bromalken. Da blir det dannet et stoff som kalles Grignard-reagensen, og denne kan reagere med mange ulike stoffer som ketoner, aldehyder og alkener.
Et alken er et stoff som bare består av karbon og hydrogen og er «umettet» – i den forstand at minst to karbonatomer er knyttet til hverandre med en dobbeltbinding. Når stoffet heter bromalken, betyr det at minst ett av hydrogenatomene er byttet ut med brom.
Annonse
Grignard-reaksjonen fører til at det blir dannet alkoholer med utgangspunkt i de opprinnelige molekylene, og alkoholene kan igjen brukes som råstoff i produksjonen av en lang rekke nye produkter.
Det er ikke bare at reaksjonen er anvendelig. Den er også lett å få til. Du kan i prinsippet starte hele prosessen bare ved å riste på ingrediensene i et reagensrør.
Men – hvordan så denne Grignard-reagensen ut? Det klarte ikke datidens kjemikere å finne ut, men det var i alle fall snakk om en negativt ladet organisk forbindelse med magnesium. Det viktigste var uansett at reaksjonen virket, selv om kjemikerne ikke forstod den.
– Men det har vært veldig frustrerende for oss kjemikere at vi ikke forstod hvordan en så fundamental kjemisk reaksjon fungerer på molekylnivået. Mangelen på kunnskap førte blant annet til at det var vanskelig å optimalisere prosessen, forteller Eisenstein.
Men nå som reaksjonen er forstått kan forskerne kaste seg over den, bytte ut et stoff her og justere litt på temperaturen der.
Alle var mistenkte – og skyldige
For å gjøre en lang historie kort: Eisenstein og Cascella har påvist at Grignard-reagensen ikke er ett molekyl, men isteden et omskiftelig molekyl som kan forandre både form og kjemisk sammensetning.
De har klart å kartlegge en hel prosess der molekylene i løsningsmidlet knytter seg til magnesiumatomene og forlater dem igjen, i en slags molekylær dans.
Dette fører til at det til enhver tid eksisterer mange litt forskjellige Grignard-reagenser i den kjemiske reaksjonen, som danner det forskerne kaller en Schlenk-likevekt.
Men hvilke varianter av Grignard-reagensen var det egentlig som reagerte og førte til at det ble dannet nyttige stoffer?
Dette var det store mysteriet, men nå tar vi konklusjonen først:
– Du har sikkert lest Agatha Christies kriminalroman «Mord på Orientekspressen» eller sett en av filmatiseringene. Der finner mesterdetektiven Hercule Poirot til slutt ut at alle de mistenkte var skyldige, og slik er det også i Grignard-reaksjonen. Alle de mistenkte bidrar på sin måte. Du kan si at den ene reagensen åpner døra mens den andre holder utkikk og den tredje overmanner drapsofferet og så videre, forteller Eisenstein.
Annonse
– Noen av Grignard-reagensene er raske, andre er litt tregere, men alle bidrar. Det er dette som er grunnen til at kjemikerne som undersøkte reaksjonen i laboratoriene, ikke klarte å beskrive den. Grignard-reaksjonen er egentlig en hel gruppe kjemiske reaksjoner som foregår samtidig i den samme løsningen, utdyper Cascella.
Beregninger istedenfor eksperimenter
Michele Cascella og Odile Eisenstein har ikke brukt tradisjonelle laboratoriemetoder som for eksempel massespektrometri og spektroskopi for å finne ut av Grignard-reaksjonens innerste hemmeligheter.
De har isteden brukt matematisk modellering og datasimulering, som er en hovedaktivitet ved Hylleraas-senteret, hvor begge er ansatt som forskere.
Her hadde de anledning til å modellere både reagensene og løsningsmidlene i reaksjonen på en realistisk måte, og til slutt klarte de å identifisere de mange ulike «mistenkte» molekylene som eksisterer i en Schlenk-likevekt.
Odile Eisenstein snakker om «dansepar» når hun forteller om de mange reaksjonene. Dansingen foregår ved at ett molekyl reagerer med et annet molekyl, slik at de for eksempel bytter et magnesium-molekyl mellom seg.
– Vi fant for det første ut at nesten alle danseparene endte opp med å danne stabile bindinger mellom karbonatomer. For det andre: Vi fant ut at de ulike danseparene utfører ulike dansetrinn, det vil si at de reagerer via ulike mekanismer, forteller Eisenstein.
Kunnskap kan brukes til forbedring
Nå som forskerne har funnet ut hvordan Grignard-reaksjonen virker, kan de starte på det møysommelige arbeidet med å forbedre den.
Kjemikere jobber nemlig hele tiden med å raffinere kjente prosesser ved å erstatte alle reagenser som er giftige og/eller kostbare, med andre reagenser som er rimelige og ufarlige.
I dette tilfellet er magnesium verken spesielt kostbart eller giftig, men kanskje det går an å finne på noe lurt slik at Grignard-reaksjonen kan fungere med andre metaller – som natrium? Natrium er jo et av de billigste grunnstoffene som finnes, og alle bruker natriumforbindelsen salt som tilsetningsstoff i maten hver eneste dag.
– Natrium alene er rett og slett for reaktivt, det «brenner opp» de andre ingrediensene. Men kanskje vi kan finne tilsetningsstoffer som gjør det mulig å bruke natrium likevel. Vi håper uansett at den nye forståelsen av Grignard-reaksjonen kan bidra til utviklingen av en ny, grønn, fornybar og billig kjemi basert på ikke-toksiske grunnstoffer, sier Michele Cascella.
Annonse
– Det er i prinsippet alltid bedre med mer kunnskap som setter oss i stand til å forstå de grunnleggende aspektene ved det vi jobber med. Når vi vet hvordan vi kan bake en kake, kan vi også finne ut hvordan vi kan bruke nye kryddere og tilsetningsstoffer for å bake en kake som smaker enda bedre og ser vakrere ut. Det er fortsatt en vei å gå før nye anvendelser kan komme ut av dette, men vi mener at vi har gjort et viktig skritt fremover. Nå vet vi nemlig i hvilken retning vi skal gå, kommenterer Odile Eisenstein.
David Balcells mfl.: A Career in Catalysis: Odile Eisenstein. ACS Catalysis, 2019. Sammendrag. Doi.org/10.1021/acscatal.9b02498
Dietmar Seyferth: The Grignard Reagents. Organometallics, 2009. Doi.org/10.1021/om900088z
Georges Bram mfl.: Victor Grignard et la naissance de son réactif. Comptes Rendus de l'Académie des Sciences - Series IIB - Mechanics-Physics-Chemistry-Astronomy, 1997. Sammendrag. Doi.org/10.1016/S1251-8069(97)88283-8
