ENGINEERINGNET.BE - Moleculaire katalysatoren helpen bij de synthese van fijne chemicaliën, zoals medicijnen en kleurpigment. Activatie van waterstof is een belangrijke stap in de ontwikkeling van moleculaire katalysatoren.
In 2017 ontving Marc-Etienne Moret een ERC Starting Grant om op zoek te gaan naar nieuwe katalysatoren met betere eigenschappen. Met deze ontdekking heeft zijn team hierin een grote stap gezet.
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 deze negatieve eigenschappen niet heeft.
Om de waterstof via dit nieuwe proces te activeren, gebruikten de onderzoekers 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 zij 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", aldus Moret.
Computermodellen voorspellen bovendien het bestaan van een derde toestand, de overgangstoestand, die de twee waarneembare vormen met elkaar verbindt.
Moret onderzoekt inmiddels of het nieuwe mechanisme ook toepasbaar is op andere metalen of op andere verbindingen. Zijn team heeft inmiddels al laten zien dat het nieuwe mechanisme ook is toe te passen op een koolstof-waterstofverbinding.
"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", stelt Moret.
Bij de illustratie boven: drie fases van de katalysator: (1) waterstofmolecuul (wit) gebonden aan metaal (groen). (3) waterstofmolecuul splitst, waarbij één atoom nog steeds gebonden is aan metaal en het andere aan koolstof (grijs). (2) is een overgangstoestand.
