De chemische industrie maakt al meer dan 100 jaar gebruik van een reactie met explosieve chemicaliën – nu hebben wetenschappers van Mülheim een ​​veiliger alternatief ontdekt. De Ritter Group van het Max Planck Institut für Kohlenforschung in Mülheim/Ruhr heeft een artikel gepubliceerd, getiteld "Nitraatreductie maakt veiligere aryldiazoniumchemie mogelijk", over aryldiazonium in Wetenschap .

Explosies en vergiftiging. Ernstige gewonden en zelfs sterfgevallen. In de geschiedenis van de chemische industrie zijn er herhaaldelijk ongelukken geweest, soms met dodelijke afloop, vaak veroorzaakt door gevaarlijke en explosieve chemicaliën die nodig zijn voor bepaalde reacties.

Aryldiazoniumzouten, die al 140 jaar worden gebruikt, zijn dergelijke chemicaliën. Ze zijn zeer reactief en daarom uiterst nuttig voor de productie van andere verbindingen, bijvoorbeeld kleurstoffen. Door de hoge reactiviteit zijn geïsoleerde aryldiazoniumzouten echter niet erg stabiel en kunnen daarom onbedoeld en soms explosief reageren.

Op 23 december 1969 vond er bij Ciba AG in Bazel een bijzonder ernstige explosie plaats waarbij deze chemicaliën betrokken waren. Een gebouw werd verwoest en zware stukken van de reactor vlogen door de lucht. Drie arbeiders kwamen om het leven en 31 raakten ernstig gewond. Ondanks zulke gruwelijke berichten gaat het werk met aryldiazoniumzouten door.

Een team onder leiding van prof. dr. Tobias Ritter, directeur van het Max Planck Instituut voor Kohlenforschung, is er nu in geslaagd de risicovolle chemie met aryldiazoniumzouten aanzienlijk veiliger te maken. Het Mülheim Protocol maakt het gebruik van deze verbindingen niet alleen minder gevaarlijk, maar opent mogelijk ook mogelijkheden voor de ontwikkeling van nieuwe reacties.

“Normaal gesproken gebeurt het gebruik van diazoniumzouten in twee stappen:je isoleert of accumuleert eerst het diazoniumzout, wat gevaarlijk is, en zet het vervolgens in een tweede stap om in het gewenste product. In ons project combineren we de twee synthesestappen en ga naar het gewenste product zonder het diazoniumzout op te hopen, wat het risico op een explosie aanzienlijk verkleint", legt Tim Schulte uit, een doctoraatsstudent uit de groep van Tobias Ritter.

Traditioneel worden aryldiazoniumzouten gesynthetiseerd uit anilines met salpeterigzuur of met nitrietverbindingen, een reactie die in de loop der jaren weinig innovatie heeft ondergaan. De reactie moet worden uitgevoerd bij lage temperaturen (onder 5°C) omdat de aryldiazoniumzouten bij hogere temperaturen instabiel zijn. Javier Mateos, een postdoctoraal onderzoeker in de groep, en Schulte hebben echter een nieuwe methode ontdekt die de aanwezigheid van verschillende nucleofielen in het reactiemengsel mogelijk maakt.

De nieuwe strategie is gebaseerd op het gebruik van een natuurlijk proces, nitraatreductie, dat in planten wordt uitgevoerd. De onderzoekers slaagden erin het natuurlijke proces in een reageerbuis na te bootsen en dit te combineren met aryldiazoniumchemie om een ​​veiligere synthesemethode te ontwikkelen. Op deze manier kunnen de bovengenoemde beperkingen die gepaard gaan met traditionele methoden, zoals temperatuurgevoeligheid en de behoefte aan sterke zuren, worden vermeden.

Doordat de onderzoekers in hun nieuwe protocol meerdere stappen combineren, ontstaan ​​er in de eerste plaats geen grote concentraties van de gevaarlijke stof. En dat is niet alles wat de wetenschappers uit Mülheim ontdekten.

"Voor onze synthesemethode gebruiken we chemicaliën die in grote hoeveelheden worden gebruikt in de kunstmest- en brandstofindustrie en daarom goedkoop zijn", zegt Schulte. Dit zou de syntheseroute uitermate interessant kunnen maken voor bedrijven in de chemische industrie omdat het lagere productiekosten betekent.

"De oplossing voor het probleem had eigenlijk 100 jaar geleden al gevonden kunnen worden, maar de reactie zoals die nu is ontdekt zou waarschijnlijk niet op dezelfde manier zijn gepland", zegt Tobias Ritter.

"De combinatie van chemicaliën die uiteindelijk goede resultaten oplevert, werd bij toeval ontdekt terwijl we aan een ander project werkten", onthult Mateos. Hoewel de gebruikte reagentia al lang bekend zijn, werd hun potentieel voor de diazoniumchemie tot nu toe eenvoudigweg over het hoofd gezien.

De nieuwe methode is ook wetenschappelijk gezien spannend omdat er nu nieuwe chemische benaderingen kunnen worden nagestreefd, die met de klassieke methode niet zomaar mogelijk zouden zijn vanwege het hoge risico op explosie en instabiliteit van de verbindingen.

Meer informatie: Javier Mateos et al, Nitraatreductie maakt veiligere aryldiazoniumchemie mogelijk, Wetenschap (2024). DOI:10.1126/science.adn7006

Journaalinformatie: Wetenschap

Aangeboden door Max Planck Society