EDITIE 33, SEPTEMBER 2017

Zij aan zij in een glovebox

nieuwe katalysatoren zoeken

Onlangs ontving de Zwitserse onderzoeker Marc-Etienne Moret een ERC Starting Grant voor zijn onderzoek naar nieuwe katalysatoren bij de vakgroep Organische Chemie en Katalyse van de Universiteit Utrecht. Met de € 1,5 miljoen die daarmee gemoeid is wil hij twee postdoc’s en twee PhD’s aantrekken. Die zullen menig experiment uitvoeren onder inerte omstandigheden in een van de momenteel twee gloveboxen op het laboratorium.

 

Marc-Etienne Moret is sinds 2012 verbonden aan de Utrechtse vakgroep Organische Chemie en Katalyse.
Daarvoor deed hij onder andere onderzoek bij het Amerikaanse onderzoeksinstituut Caltech, waar hij ook al werkte met de gloveboxen van MBraun. In Utrecht heeft Salm en Kipp inmiddels twee gloveboxen geplaatst van dezelfde fabrikant.

De vergelijking met een Uber of Airbnb loopt misschien wat mank, maar wat er in de laboratoria bij Organische Chemie en Katalyse van de Universiteit Utrecht wordt uitgedacht en onderzocht is toch behoorlijk ‘disruptive’. Althans voor de gevestigde orde, de ‘common sense’ in de organische wereld, waar al sinds mensenheugenis de ‘good old’ edelmetalen als palladium, platina en rhodium als katalysator worden ingezet om tal van reacties tot het gewenste eindresultaat te brengen.

 Dat gaat ook prima, maar er kleven aan het gebruik van deze groep van metalen ook enkele nadelen, die in de huidige tijd steeds meer beginnen op te spelen. “De meeste edelmetalen zijn al bij lage concentraties toxisch, zowel voor mensen als voor het milieu in het algemeen. Dat heeft op verschillende niveaus consequenties. Zo moet de procesindustrie er voor zorgen dat het milieu zo min mogelijk wordt belast door afvalstromen te zuiveren. Dat zijn in de regel dure en energie-intensieve processen, die nauwelijks bijdragen tot de economische waarde van de producten. Ga je deze producten gebruiken in eindproducten, zoals geneesmiddelen, voedseladditieven en cosmetica, dan moeten zelfs sporenhoeveelheden van deze verbindingen grondig worden verwijderd”, stelt Marc-Etienne Moret, assistant professor bij de vakgroep Organische Chemie en Katalyse.

Milieu is de belangrijkste reden om op zoek te gaan naar alternatieve katalysatoren, maar ook economische factoren spelen een rol. “De tweedeen derde rij transitiemetalen zijn in het algemeen vrij schaars, wat ze duur maakt. Dat is op zich nog niet het grootste probleem voor de industrie, maar schaarste brengt ook vrij ongrijpbare economische processen op gang, die kunnen resulteren in sterk fluctuerende grondstofprijzen. En op instabiliteit in markten zit niemand te wachten. Ik verwacht overigens niet dat er, zoals bij sommige zeldzame metalen die in mobiele telefoons worden verwerkt, echte tekorten zullen ontstaan.”

 

Onderzoekers werken zij aan zij in de glovebox.
Iedere gebruiker heeft er zijn eigen bakje voor
potjes met chemicaliën die voor zijn of haar
experimenten kunnen worden gebruikt.

 

Inhaalslag

Kijk je in het periodiek systeem een periode één of twee omhoog ten opzichte van de ‘usual suspects’ onder de katalysatoren dan vind je onder de corresponderende groepsnummers 8, 9 en 10 (de vroegere groep VIII) de metalen Fe, Co en Ni. Metalen die in overvloed aanwezig zijn en minder toxisch zijn dan analoge edelmetalen; in geval van ijzer zelfs geen noemenswaardige toxiciteit. Ideale kandidaten om de rol in te vullen van goedkope, niet-toxische katalysatoren. Bijna zo voor de hand liggend, dat je je begint af te vragen waarom we de afgelopen pakweg 150 jaar daar nauwelijks naar omgezien hebben.

Voor Marc-Etienne Moret is dat een eenvoudig te beantwoorden vraag, die meteen aangeeft hoe groot de uitdagingen zijn waar hij met zijn vakgenoten in Utrecht voor staat. “Metalen als ijzer, kobalt en nikkel gedragen zich heel anders dan bijvoorbeeld platina of palladium. Die traditionele katalysatoren doen hun werk uitstekend wanneer ze omgeven zijn door een ligandcomplex.

Op het lab is ook een SPS ‘solvent purification system’
van MBraun te vinden. Dit eveneens door Salm en Kipp
geleverde apparaat kan uit maximaal zeven organische
oplosmiddelen tegelijk, tot 800 liter per kolommenset
water verwijderen.

Door die liganden te modificeren, zijn we er in geslaagd om het gedrag van deze katalysatoren te fine-tunen. In de loop der tijd is heel veel fundamentele kennis opgebouwd over de mechanismen achter de huidige homogene katalyse. Die kennis is gebruikt om door het aanpassen van de reactiecondities opbrengsten te optimaliseren. Het simpel vervangen van een edelmetaal door een basismetaal, waarbij je het hele reactiesysteem verder intact laat, werkt niet omdat basismetalen heel ander gedrag vertonen, veel onvoorspelbaarder zijn in de voor de edelmetalen geoptimaliseerde reacties. Dat zit hem onder andere in het feit dat transitiemetalen uit de eerste rij van het periodiek systeem gemakkelijk een één-elektron oxidatie ondergaan, wat tot veel reactievere, en dus meer onvoorspelbare intermediairen leidt als bij de veel beter voorspelbare twee-elektron veranderingen tussen oxidatietoestanden bij de edelmetalen. We moeten dus feitelijk de metaalgebonden katalyse weer opnieuw uitvinden, veel fundamenteel onderzoek doen om inzicht te krijgen in de achterliggende mechanismen en op basis daarvan optimale condities creëren, zodat je qua opbrengst, energie-efficiëntie en selectiviteit kan wedijveren met de edelmetalen.”

 

Nieuwe liganden

Om te dealen met het meer onvoorspelbare gedrag van de basismetalen richten de Utrechtse onderzoekers hun pijlen op verschillende strategieën. De eerste heeft te maken met het zoeken naar nieuwe liganden, die beter in staat zijn om de reactiviteit van de basismetalen in toom te houden. “Populair gezegd, kan je de functie van de liganden bij edelmetalen vooral beschouwen als het ondersteunen van de katalytische activiteit van het metaal, een chemisch gezien vrij passieve rol. Wij willen nieuwe liganden maken, die op een andere manier binden aan de basismetalen dan de liganden bij de edelmetalen, en daardoor ook zelf meer betrokken zijn bij de katalytische activiteit. In het verlengde daarvan moeten die nieuwe liganden er ook voor zorgen dat de stabiliteit van de basismetaalkatalystoren, die in het algemeen lager ligt dan die van de edelemetaalcomplexen, verbetert.
Om dat te kunnen bereiken is het belangrijk om te begrijpen hoe die decompositie verloopt. Met die fundamentele kennis, die we voor een fors gedeelte nog moeten opbouwen, kunnen we dan nieuwe ligandystemen ontwerpen, synthetiseren en testen”, vertelt Marc-Etienne Moret. Een ander punt van aandacht is de op dit moment nog slechte selectiviteit, met name ten gevolge van radicaalreacties. Dat probleem kan je grofweg gesteld op twee manieren aanpakken. Ten eerste door het ‘temmen’ van de reactiviteit van de radicalen, zodat de reactie netjes naar de goede richting van het gewenste product verloopt. Of, en daar gaan de Utrechtenaren voor, je gaat ligandsystemen ontwerpen waarbij die radicaalroutes worden vermeden, wat bijvoorbeeld weer mogelijk is door liganden te maken die door een sterk ligandveld op te leggen meer sturend werken in de katalytische activiteit, in samenwerking met het basismetaal.

 

De vakgroep Organische Chemie en Katalyse, onderdeel van het Debye Institute for Nanomaterial Science, is sinds 2011 met de rest van de Utrechtse Science faculteit ondergebracht in het David de Wied gebouw.

 

Onvoorspelbaar

Omdat veel van het onderzoek nog niet is gepubliceerd, kan Marc-Etienne Moret weinig kwijt over welke reacties, basismetalen en soorten liganden precies worden onderzocht, en wat daarvan de resultaten zijn. Minstens zo interessant is echter de manier waarop het onderzoek wordt uitgevoerd, dat een hoog exploratief gehalte heeft. “Het begint bij het synthetiseren van nieuwe liganden. Dat doe je vanuit een bepaald idee, een stuk theoretische kennis, computersimulaties. Zodra je zo’n ligand in zuivere en stabiele vorm in handen hebt –wat al een hele klus is– ga je verifiëren of die in combinatie met een basismetaal in een bepaalde reactie ook daadwerkelijk doet wat je van tevoren hebt voorspelt. Je kunt je voorstellen dat dat met zoveel mogelijke reacties en afhankelijkheid van de juiste reactie-omstandigheden nooit in één keer goed gaat.

“Het mooie is, dat je soms op onverwachte resultaten komt:
nieuwe pathways, nieuwe eindproducten, die op hun beurt
weer munitie geven voor nieuw onderzoek.”

Het is echt een trial-and-error proces, waarbij je met ieder experiment weer iets meer kennis genereert, iets meer grip op de materie krijgt. En het mooie is, dat je soms op heel andere, onverwachte resultaten komt: nieuwe pathways, nieuwe eindproducten, die op hun beurt weer munitie geven voor nieuw onderzoek.”

 

Dringen bij de glovebox

Waar veel van het spannende synthesewerk plaatsvindt in traditionele zuurkasten (de vakgroep Organische Chemie en Katalyse telt wat dat betreft zo’n 30 werkplekken voor studenten, promovendi en post-doc’s), vormen de activiteiten die zich afspelen in de twee gloveboxen qua ‘excitement’ toch wel de overtreffende trap.

In deze door Salm en Kipp geleverde en geïnstalleerde Labmaster Pro serie gloveboxen van MBraun is het mogelijk om veilig (je werkt immers met hoogtoxische verbindingen), onder een inerte atmosfeer (het gaspurificatiesysteem zorgt voor een boxatmosfeer met waardes van < 1 ppm zuurstof- en vocht) de katalytische reacties uit te voeren. Hierbij kunnen aan de hand van een PLC met een 7” kleuren touchscreen de parameters worden ingesteld en gecontroleerd. Extra optie in deze glovebox is een cold-well. Dit is een stikstofgekoeld reactie- en opslagvat waarin je reacties kunt laten plaatsvinden bij een temperatuur tot -190 °C.

“Afgezien van de zuurstof die we bij dit soort hoogreactieve mengsels natuurlijk buiten de reactie willen houden, kunnen we bij lage temperaturen (zo rond de -180 °C) beter reacties in de hand te houden, zodat je gemakkelijker intermediaire producten kunt isoleren. Vooral voor ons exploratieve onderzoek is dat ideaal. Je weet wat je erin stopt, en je kunt achteraf analyseren wat er is gevormd. Maar om te begrijpen wat er tijdens die reactie is gebeurd, moet je intermediaire producten kunnen isoleren om ze te kunnen karakteriseren aan de hand van bijvoorbeeld NMR. Met deze gloveboxen gaat dat uitstekend”, stelt Marc-Etienne Moret, die verwacht op korte termijn nog wel te investeren in één of twee nieuwe gloveboxen. “Zoals je ziet, staan de schappen in de glovebox helemaal vol met materiaal voor experimenten. Het is nog net geen dringen voor de glovebox, maar als in de loop van dit jaar de vier extra onderzoekers, die ik vanuit de ERC Starting Grant kan aanstellen, hier werkzaam zijn, dan is die extra capaciteit hard nodig.”

 

Salm en Kipp

www.salmenkipp.nl

 

Vakgroep Organische Chemie en Katalyse

www.uu.nl/en/research/organicchemistry-catalysis

KENNISPLATFORM VOOR LABORATORIA