Chemici van de Universiteit van Bonn en hun Amerikaanse collega's aan de Columbia University in New York hebben een nieuw mechanisme in katalyse ontdekt dat goedkope, milieuvriendelijke synthese van bepaalde alcoholen. De reactie volgt een voorheen onbekend patroon waarin waterstof op een tijdgecoördineerde manier in drie componenten wordt gesplitst. Tussen het idee en de praktische realisatie zaten meer dan vijf jaar. De resultaten zijn gepubliceerd in Wetenschap .

Alcoholen zijn veel voorkomende chemische verbindingen die, naast koolstof en waterstof, ten minste één OH-groep bevatten. Ze dienen als uitgangsmateriaal voor een hele reeks chemische syntheses en worden vaak rechtstreeks uit olefinen geproduceerd door toevoeging van water. Olefinen zijn koolwaterstoffen met een dubbele binding die verkrijgbaar zijn uit olie. Het watermolecuul dient als "donor" van de OH-groep die kenmerkend is voor alcoholen.

Deze synthese is eenvoudig en efficiënt, maar het heeft een beslissend nadeel:het kan alleen worden gebruikt om bepaalde alcoholen te produceren, de zogenaamde Markovnikov-alcoholen. De OH-groep kan niet eenvoudig aan een positie van het olefine worden gehecht - een van de twee posities is uitgesloten. "We hebben nu een nieuwe katalytische methode gevonden die precies deze 'onmogelijke' alcoholen kan produceren, " zegt prof. dr. Andreas Gansäuer.

Gansäuer werkt aan het Kekulé Instituut voor Organische Chemie en Biochemie aan de Universiteit van Bonn. Het idee voor de nieuwe synthese ontstond in een samenwerking in 2013 met de groep van Prof. Dr. Jack Norton van Columbia University in New York. Echter, het duurde bijna vijf jaar voordat de synthese van de zogenaamde anti-Markovnikov-alcohol met behulp van het nieuwe katalytische systeem goed genoeg werkte om te worden gepubliceerd.

Versnelling en vertraging door de liganden van de katalysatoren

Het proces heeft een ongebruikelijk reactiemechanisme. Epoxiden, gangbare en waardevolle tussenproducten van de chemische industrie, dienen als uitgangsmateriaal. Epoxiden kunnen worden geproduceerd door een zuurstofatoom (chemisch symbool:O) toe te voegen aan olefinen. Als ze mogen reageren met waterstofmoleculen (H ₂ ), de zuurstof wordt een OH-groep. Normaal gesproken, met deze benadering worden alleen Markovnikov-alcoholen geproduceerd.

"In onze reactie echter, we brengen de waterstof achtereenvolgens in drie delen over, " legt Gansäuer uit. "Ten eerste, een negatief geladen elektron, dan een neutraal waterstofatoom en tenslotte een positief geladen waterstofion, een proton. We gebruiken twee katalysatoren, waarvan de ene titanium bevat en de andere chroom. Hierdoor kunnen we epoxiden omzetten in anti-Markovnikov-alcoholen." De timing van het hele proces moet strikt worden gecoördineerd - zoals bij jongleren, waarin elke bal een bepaalde vluchtduur moet behouden. Om dit te behalen, de chemici moesten de snelheid van drie katalytische reacties synchroniseren. Hiertoe, ze bevestigden de "juiste" liganden, moleculen die de reactiviteit van de metalen regelen, aan de titaan- en chroomatomen.

Tot nu, anti-Markovnikov alcoholen zijn geproduceerd door middel van een zogenaamde hydroborering gevolgd door een oxidatie. Echter, deze reactie is relatief complex en niet bijzonder duurzaam. Het nieuwe mechanisme, anderzijds, produceert geen bijproducten en is dus praktisch afvalvrij. "Titanium en chroom zijn ook veel voorkomende metalen, in tegenstelling tot veel andere edele metalen die vaak bij katalyse worden gebruikt, " benadrukt Gansäuer.

In 2013, Norton en Gansäuer hebben hun idee ingediend voor een oproep tot het indienen van voorstellen voor duurzame katalyse door de International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), het winnen van de eerste plaats. Het project werd grotendeels gefinancierd met het subsidiegeld. “Maar de goede samenwerking binnen mijn instituut heeft zeker ook bijgedragen aan het succes, " benadrukt Gansäuer. "Bijvoorbeeld, Ik had niet alleen toegang tot de middelen van het instituut, maar ook aan uitrusting van de andere groepen uit Bonn."