Utrechtse scheikundigen ontdekken mechanisme om duurzamere katalysatoren te ontwerpen

Utrechtse wetenschappers hebben, onder leiding van Marc-Etienne Moret, een nieuw mechanisme ontdekt om moleculaire katalysatoren te bouwen. Het nieuwe mechanisme maakt gebruik van nikkel in plaats van een edelmetaal dat vaak vereist is als onderdeel van moleculaire katalysatoren. Moret: "Deze ontdekking is het begin van een nieuw onderzoeksgebied waarin we vanuit een heel nieuw concept duurzamere katalysatoren kunnen ontwerpen."

In 2017 ontving Marc-Etienne Moret een ERC Starting Grant om op zoek te gaan naar nieuwe katalysatoren met betere eigenschappen. Met de ontdekking die onlangs is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Chemistry, heeft zijn team een grote stap gezet in de richting van het doel dat hij destijds voor ogen had: de ontwikkeling van een nieuwe familie katalysatoren op basis van niet-edele metalen. "We hebben een nieuw reactiemechanisme ontdekt", vertelt Moret enthousiast. "Dat gebeurt niet vaak, zeker niet in een gebied dat zo grondig is onderzocht." Moleculaire katalysatoren helpen bij de synthese van fijne chemicaliën, zoals medicijnen en kleurpigment.

We kunnen niet wachten om dit onderzoek verder uit te diepen

Nikkel

Om precies te zijn, vonden onderzoekers María Sansores-Paredes, Martin Lutz en Moret een nieuw, duurzamer mechanisme om waterstof te activeren. Activatie van waterstof is een belangrijke stap in de ontwikkeling van moleculaire katalysatoren. Normaal gesproken is voor de activering van waterstof een edelmetaal nodig, zoals rhodium, iridium of ruthenium. Deze metalen zijn effectief, maar ook duur, schaars en mogelijk schadelijk voor het milieu. Moret en zijn team ontdekten een nieuw mechanisme om waterstof te activeren met nikkel, een metaal dat al die negatieve eigenschappen niet heeft.

Op maat gemaakt molecuul

Om de waterstof via dit nieuwe proces te activeren, gebruikte het team van Moret een op maat gemaakt molecuul dat rondom het metaal zit. Dit speciale type molecuul wordt een pincer-ligand genoemd en bevat een olefine, een organische verbinding met een dubbele binding tussen twee koolstofatomen. Normaal gesproken hechten de waterstofatomen aan het metaal, maar in dit experiment zagen de onderzoekers dat de waterstofatomen direct een verbinding aangaan met de olefine. Dit proces heet waterstofoverdracht van ligand-naar-ligand. "We kunnen direct twee vormen van de katalysator 'zien', één met een intact waterstofmolecuul aan het metaal, en een andere waarbij de waterstof is verdeeld over nikkel- en koolstofatomen", legt Moret uit. Computermodellen voorspellen bovendien het bestaan van een derde toestand, de overgangstoestand, die de twee waarneembare vormen met elkaar verbindt.

Vervolgonderzoek

Moret onderzoekt inmiddels wat het nieuwe mechanisme allemaal nog meer kan. Misschien is het ook toepasbaar op andere metalen of op andere verbindingen. De groep van Moret heeft inmiddels, terwijl de huidige studie nog werd gereviewed, laten zien dat het nieuwe mechanisme kan worden toegepast op een koolstof-waterstofverbinding, iets waar Moret bijzonder enthousiast over is. "Organische moleculen hebben veel koolstof-waterstofverbindingen. Dus als we erin slagen om dit nieuwe mechanisme op deze verbindingen toe te passen, kunnen we de synthese van fijne chemicaliën aanzienlijk versnellen. Ik kan niet wachten om dit onderzoek verder uit te diepen."