Acetalen zijn belangrijke chemische verbindingen die worden gebruikt, bijvoorbeeld, bij de productie van bepaalde medische middelen. Een nieuwe methode maakt hun synthese nu gemakkelijker en milieuvriendelijker. Chemici van de Universiteit van Bonn hebben het duurzame katalytische proces ontwikkeld en geoptimaliseerd. Er werd ook gebruik gemaakt van de modernste computersimulaties. De reactie is gebaseerd op een mechanisme dat vaak voorkomt in de natuur, maar is tot nu toe zelden gebruikt in chemische synthese. De resultaten worden gepubliceerd in het tijdschrift Angewandte Chemie .

De belangrijkste stap bij de productie van acetalen is de binding van twee zuurstofatomen aan één koolstofatoom. Chemici bereiken deze regeling vaak met oxidatie. Om dit te bereiken worden normaal gesproken sterke oxidatiemiddelen gebruikt door tijdens de reactie een zuurstofatoom vrij te geven. De rest van het oxidatiemiddel moet na de synthese worden weggegooid.

"In onze studie echter, beschrijven we een pad dat atomair-economisch wordt genoemd, wat betekent dat het geen afval genereert, " legt Prof. Dr. Andreas Gansäuer van het Kekulé Instituut voor Organische Chemie en Biochemie van de Universiteit van Bonn uit. "Het startmolecuul zelf bevat al het zuurstofatoom dat nodig is voor oxidatie. De katalyse die we hebben ontwikkeld, verschuift eenvoudig deze zuurstof in het molecuul, die het acetaal creëert."

Het startmolecuul bevat een zogenaamde epoxygroep, een soort "driehoek" waarin twee hoeken worden gevormd door koolstofatomen en de derde door een zuurstofatoom. Dergelijke drievoudige ringen staan ​​onder grote spanning en breken daardoor gemakkelijk uit elkaar bij het zuurstofatoom. Epoxy's slaan de benodigde reactie-energie op als een samengedrukte veer.

Katalyse gebaseerd op het model van de natuur

Om dit doel te bereiken is een geschikte katalysator nodig. Figuurlijk spreken, zuurstofatomen hebben twee "armen" waarmee ze bindingen kunnen vormen. Als de epoxyring breekt, een van deze armen wordt vrij. De katalysator bindt er nu tijdelijk aan. Dit initieert een reeks molecuul-interne (intramoleculaire) herschikkingen. Aan het einde van deze reeks, het zuurstofatoom geeft de katalysator weer vrij en bindt in plaats daarvan aan de gewenste koolstof. "Deze stap wordt zuurstofrebound genoemd, ", zegt Gansäuer.

Dit mechanisme is tot nu toe zelden gebruikt in chemische syntheses - heel anders dan in de natuur:de lever, bijvoorbeeld, gebruikt de "zuurstofrebound" om gifstoffen af ​​te breken. Dit vereist ook katalysatoren, de zogenaamde P450-enzymen. Hun actieve centrum bevat een ijzeratoom. "Het hart van onze katalysator bestaat ook uit een gewoon en niet-toxisch metaal, namelijk titaan, " legt Prof. Dr. Stefan Grimme van het Instituut voor Fysische en Theoretische Chemie van de Universiteit van Bonn uit.

Katalysator afstemmen op de computer

Tijdens acetaalsynthese, titanium neemt eerst een zuurstofatoom op en geeft het dan weer af (oxidatie wordt gevolgd door een zogenaamde reductie). Dit werkt alleen effectief als het de zuurstof sterk genoeg aan zichzelf bindt zonder al te veel te "kleven". Om de zuurstofaffiniteit op de juiste manier aan te passen, titanium is gebonden aan bepaalde moleculen, zijn liganden. Afhankelijk van de bindende partner, het metaal heeft dan een wat sterkere oxiderende werking of kan gemakkelijker worden gereduceerd. De meest geschikte "tuning moleculen" worden tegenwoordig met behulp van een computer geselecteerd. De onderzoeksgroep rond Prof. Grimme is gespecialiseerd in deze taak:het heeft algoritmen ontwikkeld die zeer snelle simulaties van katalysatoreigenschappen mogelijk maken.

Hierdoor konden de onderzoekers in hun studie hun katalysator optimaliseren zodat deze het uitgangsmateriaal volledig omzet in het gewenste acetaal. "Het resultaat documenteert heel mooi hoe nuttig nauwe samenwerking tussen experiment en theorie is voor het ontwikkelen van duurzame katalysemethoden, ", zegt Gansäuer.