Of het nu gaat om synthetische materialen zoals PET en Teflon, medicijnen of smaakstoffen, leven zonder synthetisch geproduceerde verbindingen is nauwelijks denkbaar. De chemische industrie is afhankelijk van efficiënte, langetermijnmethoden voor het produceren van synthetisch afgeleide moleculen. Voor dit doeleinde, scheikundigen gebruiken vaak katalysatoren, d.w.z., additieven waarmee ze chemische reacties kunnen vergemakkelijken en beheersen. Maar hoe worden zulke reacties ontdekt en ontwikkeld?

Een hoge mate van kennis en inzicht is vereist, maar ook het toeval speelt een beslissende rol. Een team van chemici van de Universiteit van Münster (Duitsland) heeft een strategie ontwikkeld om dergelijke "willekeurige hits" op een systematische manier te genereren met als doel nieuwe, onverwachte reacties. Het onderzoek is gepubliceerd in de Chemo logboek.

Het proces van het systematisch uitvoeren van een groot aantal experimenten wordt screening genoemd, en is een gevestigde praktijk, met name in farmaceutisch onderzoek met betrekking tot actieve ingrediënten. De in Münster ontwikkelde screeningmethode voor het ontdekken van reacties combineert twee stappen die een verscheidenheid aan afzonderlijke elementen in een reactie omvatten, die, in combinatie, zijn ontworpen om nieuwe, synthetisch relevante reacties. In de eerste stap, scheikundigen onderzoeken of een potentieel substraat überhaupt een interactie aangaat met de katalysator. Voor dit doeleinde, in het geval van fotokatalysatoren, het fenomeen emissiedoving wordt gebruikt. Als een substraat de emissie van de katalysator vermindert, een interactie tussen katalysator en substraat is waarschijnlijk. Door systematisch een groot aantal willekeurig geselecteerde verbindingen te screenen, nieuwe moleculen kunnen worden geïdentificeerd waarvan de interactie met katalysatoren voorheen onbekend was.

De interactie tussen substraat en katalysator veroorzaakt op zichzelf geen reactie, echter. Om deze reden, in de tweede fase van het screeningsproces wordt gekeken of een reactie daadwerkelijk plaatsvindt wanneer een reactiepartner en de katalysator aanwezig zijn. Dit betekent dat voor het eerst als resultaat van het combineren van twee screeningstappen, beide partners in een nieuwe reactie kunnen worden geïdentificeerd die reageren om een ​​nieuw product te vormen. "Deze tweedimensionale strategie stelt ons niet alleen in staat om nieuwe katalysator-substraatinteracties te vinden, maar ook om daadwerkelijk nieuwe reacties te ontdekken - waaronder enkele die we niet eerder hadden verwacht, " legt prof. Frank Glorius van het Instituut voor Organische Chemie van de Universiteit van Münster uit.

Onverwachte reactiviteit ontdekken

Uit het onderzoek blijkt dat de auteurs drie voorheen onbekende reacties konden ontdekken en verder ontwikkelen. Een van deze reacties is een zogenaamde fotochemische cycloadditie, waarin eenvoudig, platte moleculen - benzothiofenen - worden overgebracht naar complexe driedimensionale structuren. "Zoals geformuleerd op papier, Ik had deze reactie niet voor mogelijk gehouden, " zegt Felix Strieth-Kalthoff, een doctoraat student en hoofdauteur van de studie, "omdat, energetisch gezien, de belangrijkste stap in deze reactie zou eigenlijk niet mogelijk moeten zijn."

Om dit nader te onderzoeken, de chemici van Münster namen contact op met Prof. Dirk Guldi van de Universiteit van Erlangen, die wordt beschouwd als 's werelds toonaangevende expert op het gebied van onderzoek naar fotochemische processen. In samenwerking met collega's van het Leibniz Institute of Surface Engineering in Leipzig, het team kon er licht op werpen door metingen uit te voeren in de vorm van ultrasnelle spectroscopie. De chemici gebruikten ultrakorte laserpulsen om de afzonderlijke stappen in de reactie systematisch te observeren en te onderzoeken. "We zijn nu in staat om veel betere verklaringen te geven voor de onderliggende moleculaire processen in de triplet-triplet energieoverdracht - de belangrijkste activeringsstap, ", zegt Dirk Guldi. "Dit grotere begrip zal de ontwikkeling van nieuwe processen en katalysatoren mogelijk maken, " hij voegt toe.

Dit voorbeeld laat zien dat de resultaten van een dergelijke screeningsaanpak niet alleen nieuwe reacties opleveren, maar ook, in aanvulling op, bijdragen aan een dieper begrip van het onderwerp. "We zijn ervan overtuigd dat deze strategie kan worden gebruikt in andere gebieden van katalyse - en daarbuiten, ’ zegt Frank Glorius.

Gebruik makend van, onder andere, de nieuwste computertechnologieën, het team van onderzoekers werkt al volop aan de ontwikkeling van nieuwe screeningsmethoden om nieuwe klassen van reacties te ontdekken en te begrijpen. Er is één ding waar Frank Glorius zeker van is:"Ik geloof dat de ontdekking van nieuwe soorten reacties als gevolg van op data gebaseerde strategieën, zoals deze screeningsmethoden zijn, zal een beslissend verschil maken voor de ontwikkeling van de synthetische chemie."