Garsya/Shutterstock
Het universum is overspoeld met miljarden chemische stoffen, elk een piepklein speldenprikje potentieel. En we hebben er nog maar 1% van geïdentificeerd. Wetenschappers geloven dat onontdekte chemische verbindingen kunnen helpen bij het verwijderen van broeikasgassen of een medische doorbraak kunnen veroorzaken zoals penicilline dat deed.
Maar laten we dit vooropstellen: het is niet zo dat chemici niet nieuwsgierig zijn. Sinds de Russische scheikundige Dmitri Mendelejev in 1869 het periodiek systeem der elementen uitvond, wat eigenlijk een soort legodoos voor scheikundigen is, hebben wetenschappers chemische stoffen ontdekt die de moderne wereld hebben helpen definiëren. We hadden kernfusie nodig (atomen die met lichtsnelheid op elkaar werden afgevuurd) om het laatste handjevol elementen te maken. Element 117, tennessine, werd in 2010 op deze manier gesynthetiseerd.
Maar om de volledige omvang van het chemische universum te begrijpen, moet je ook chemische verbindingen begrijpen. Sommige komen in de natuur voor – water is natuurlijk gemaakt van waterstof en zuurstof. Andere, zoals nylon, zijn ontdekt in laboratoriumexperimenten en worden gemaakt in fabrieken.
Elementen zijn gemaakt van één soort atoom, en atomen zijn gemaakt van nog kleinere deeltjes zoals elektronen en protonen. Alle chemische verbindingen bestaan uit twee of meer atomen. Hoewel het mogelijk is dat er nog onontdekte elementen zijn, is dat onwaarschijnlijk. Dus, hoeveel chemische verbindingen kunnen we maken met de 118 verschillende soorten element Lego blokjes die we op dit moment kennen?
Grote getallen
We kunnen beginnen met het maken van alle twee-atomige verbindingen. Daar zijn er heel veel van: N2 (stikstof) en O2 (zuurstof) vormen samen 99% van onze lucht. Het zou een chemicus waarschijnlijk ongeveer een jaar kosten om één verbinding te maken en in theorie zijn er 6.903 twee-atomige verbindingen. Dat betekent dus dat een dorp scheikundigen er een jaar over doet om elke mogelijke twee-atomige verbinding te maken.
Er zijn ongeveer 1,6 miljoen drieatomige verbindingen zoals H₂0 (water) en C0₂ (kooldioxide), dat is de bevolking van Birmingham en Edinburgh samen. Zodra we bij vier- en vijfatomige verbindingen komen, zou iedereen op aarde drie verbindingen moeten maken. En om al deze chemische verbindingen te maken, zouden we ook alle materialen in het universum meerdere keren moeten recyclen.
Maar dit is natuurlijk een simplificatie. Dingen zoals de structuur van een verbinding en de stabiliteit ervan kunnen het complexer en moeilijker om te maken maken maken.
De grootste chemische verbinding die tot nu toe is gemaakt, is gemaakt in 2009 en heeft bijna 3 miljoen atomen. We weten nog niet zeker wat het doet, maar soortgelijke verbindingen worden gebruikt om kankermedicijnen in het lichaam te beschermen totdat ze op de juiste plek zijn.
Maar wacht, scheikunde heeft regels!
Niet al die verbindingen zijn toch mogelijk?
Het klopt dat er regels zijn – maar ze zijn nogal buigzaam, waardoor er meer mogelijkheden voor chemische verbindingen ontstaan.
Zelfs de solitaire “edelgassen” (waaronder neon, argon en xenon en helium), die de neiging hebben om zich nergens mee te binden, vormen soms verbindingen. Argon hydride, ArH+ komt van nature niet voor op aarde, maar is wel gevonden in de ruimte. Wetenschappers hebben in laboratoria synthetische versies kunnen maken die de omstandigheden in de ruimte nabootsen. Dus als je extreme omgevingen meerekent in je berekeningen, neemt het aantal mogelijke verbindingen toe.
Koolstof wordt normaal gesproken graag gekoppeld aan tussen de één en vier andere atomen, maar heel af en toe, voor korte perioden, is vijf mogelijk. Stel je een bus voor met een maximale capaciteit van vier. De bus staat bij de halte en er stappen mensen in en uit; terwijl de mensen in beweging zijn, kunnen er kortstondig meer dan vier mensen in de bus zitten.
Lees meer:
Bekentenissen van een chemicus: Ik maak moleculen die niet zouden moeten bestaan
Sommige scheikundigen besteden hun hele carrière aan het maken van verbindingen die, volgens de scheikunderegels, niet zouden moeten bestaan. Soms zijn ze succesvol.
Een andere vraag waar wetenschappers mee worstelen is of de verbinding die ze willen alleen kan bestaan in de ruimte of in extreme omgevingen – denk aan de immense hitte en druk bij hydrothermale bronnen, die lijken op geisers maar dan op de oceaanbodem.
Hoe wetenschappers naar nieuwe verbindingen zoeken
Vaak is het antwoord om te zoeken naar verbindingen die verwant zijn aan verbindingen die al bekend zijn. Er zijn twee manieren om dit te doen. De ene is door een bekende verbinding een beetje te veranderen – door atomen toe te voegen, te verwijderen of te verwisselen. Een andere manier is door een bekende chemische reactie te nemen en nieuwe uitgangsstoffen te gebruiken. Hierbij is de creatiemethode hetzelfde, maar kunnen de producten heel anders zijn. Beide methoden zijn manieren om te zoeken naar bekende onbekenden.
Terugkomend op Lego, het is alsof je een huis maakt en dan een iets ander huis, of nieuwe stenen koopt en een tweede verdieping toevoegt. Veel chemici besteden hun carrière aan het verkennen van een van deze chemische huizen.
Maar hoe zouden we zoeken naar echt nieuwe chemie – dat wil zeggen, onbekende onbekenden?
Eén manier waarop scheikundigen nieuwe verbindingen ontdekken, is door naar de natuur te kijken. Penicilline werd op deze manier gevonden in 1928, toen Alexander Fleming waarnam dat schimmel in zijn petrischaaltjes de groei van bacteriën tegenhield.
Meer dan tien jaar later, in 1939, ontdekte Howard Florey hoe hij penicilline in bruikbare hoeveelheden kon kweken, nog steeds met behulp van schimmels. Maar het duurde nog langer, tot 1945, voordat Dorothy Crowfoot Hodgkin de chemische structuur van penicilline identificeerde.
Dat is belangrijk omdat een deel van de structuur van penicilline atomen bevat die in een vierkant zijn gerangschikt, wat een ongebruikelijke chemische rangschikking is die weinig scheikundigen zouden raden en moeilijk te maken is. Door de structuur van penicilline te begrijpen, wisten we hoe het eruit zag en konden we zoeken naar zijn chemische neven. Als je allergisch bent voor penicilline en een alternatief antibioticum nodig had, dan heb je Crowfoot Hodgkin te danken.
Tegenwoordig is het veel eenvoudiger om de structuur van nieuwe verbindingen te bepalen. De röntgentechniek die Crowfoot Hodgkin uitvond toen ze de structuur van penicilline ontdekte, wordt nog steeds wereldwijd gebruikt om verbindingen te bestuderen. En dezelfde MRI-techniek die ziekenhuizen gebruiken om ziektes vast te stellen, kan ook worden gebruikt om de structuur van chemische verbindingen te achterhalen.
Maar zelfs als een scheikundige een compleet nieuwe structuur zou raden die niets te maken heeft met een verbinding die op aarde bekend is, dan zouden ze die nog moeten maken, en dat is het moeilijke gedeelte. Als je weet dat een chemische verbinding zou kunnen bestaan, weet je nog niet hoe het is opgebouwd of welke omstandigheden je nodig hebt om het te maken.
Voor veel nuttige verbindingen, zoals penicilline, is het makkelijker en goedkoper om ze te “kweken” en te extraheren uit schimmels, planten of insecten. Wetenschappers die op zoek zijn naar nieuwe chemie, zoeken hun inspiratie dus nog steeds vaak in de kleinste hoekjes van de wereld om ons heen.
Matthew Addicoat ontvangt financiering van EPSRC en de Royal Society.
