Gepubliceerd op 6 april 2010
Minst stabiele katalysator geeft snelste reactie
Scheikundigen UvA en VU ontwikkelen nieuwe methode om meest actieve
katalysator te selecteren
Gepubliceerd op 6 april 2010
Energiediagram van de katalytische reactie, waarbij de energie van het
palladiumcomplex in het midden het energieverschil met de
overgangstoestand bepaald. De energie van dit complex wordt m.b.v.
massaspectrometrie gemeten. Achtergrond: Gröbglockner, Oostenrijk
(Foto: Jeroen Wassenaar).
Scheikundigen van de Universiteit van Amsterdam (UvA) hebben samen met
collega-onderzoekers van de Vrije Universiteit (VU) een nieuwe methode
ontwikkeld om snel en eenvoudig de meest actieve katalysator te
selecteren voor een specifieke chemische reactie. Door gebruik te
maken van massaspectroscopie kan de relatieve stabiliteit van een
mengsel van metaalcomplexen worden bepaald. Het minst stabiele complex
van dit mengsel geeft vervolgens de snelste katalytische reactie. De
ontwikkelde methode versnelt het vinden van nieuwe geschikte
katalysatoren voor bijvoorbeeld de productie van geneesmiddelen. De
onderzoeksresultaten zijn onlangs gepubliceerd in het
wetenschappelijke tijdschrift 'Nature Chemistry'.
De snelheid van een chemische reactie wordt bepaald door het verschil
in energie tussen het laagst energetische intermediair (bijvoorbeeld
de uitgangsstof) en de overgangstoestand. Bij een groot
energieverschil is de reactie langzaam en bij een klein verschil juist
snel. Dit is te vergelijken met een fietser die over een berg moet:
hoe lager de berg des te sneller is de fietser aan de andere kant. Dit
verschil kan kleiner worden gemaakt door de energie van het
intermediair te verhogen óf de energie van de overgangstoestand te
verlagen. Met andere woorden: de fietser moet eerst met zijn fiets in
de bus naar een hogere uitgangspositie rijden óf een tunnel door de
berg graven. Promovendus Jeroen Wassenaar en masterstudent Eveline
Jansen uit de onderzoeksgroep van prof. dr. Joost Reek van de UvA
baseerden hun katalysatorselectiemethode op de eerste optie. In een
mengsel van liganden en een metaalcomplex ontstond er een
darwinistische competitie, en met behulp van massaspectrometrie werd
de relatieve energie bepaald. Ze demonstreerden dat het minst stabiele
intermediair het meest actief is als katalysator (`survival of the
weakest'). De auteurs experimenteerden in een palladiumgekatalyseerde
reactie om koolstof-koolstofbindingen te vormen. Deze is van belang
voor de farmaceutische industrie.
Theoretische onderbouwing
De theoretische onderbouwing van de methode werd geleverd door
VU-promovendus Willem-Jan van Zeist en prof. dr. Matthias Bickelhaupt,
hoogleraar Theoretische scheikunde aan de VU. Door gebruik te maken
van dichtheidsfunctionele moleculaire simulatiemethoden konden zij de
energie van de katalysatoren berekenen. Hun bevindingen kwamen zeer
goed overeen met de experimentele resultaten van de massaspectrometer.
Daarnaast gaven hun berekeningen inzicht in hoe de stabiliteit van
deze katalysatoren tot stand komt. Met hun resultaten bewijzen de
onderzoekers dat katalysatoren gevonden kunnen worden door een soort
darwinistisch selectieproces uit een mengsel van verbindingen. De
volgende stap is een verdere ontwikkeling voor andere reacties, zodat
sneller oplossingen gevonden worden voor toekomstige chemische
vraagstukken.
Het onderzoeksteam van prof. dr. Ton Spek van de Universiteit Utrecht
droeg bij aan het onderzoek door een kristalstructuur van het
intermediair op te helderen. Het onderzoek is uitgevoerd met steun van
de National Research School Combination - Catalysis en de Nederlandse
Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO).
Publicatiegegevens
Jeroen Wassenaar, Eveline Jansen, Willem-Jan van Zeist, F. Matthias
Bickelhaupt, Maxime A. Siegler, Anthony L. Spek and Joost N.H. Reek:
`Catalyst selection base don intermediate stability measured by mass
spectrometry'. In: Nature Chemistry, 4 april 2010.
Universiteit van Amsterdam