Acetalen zijn belangrijke organische verbindingen die bijvoorbeeld in de geneeskunde worden gebruikt bij de productie van bepaalde werkzame stoffen. Ze worden gevormd door de reactie van alcoholen met aldehyden. De productie ervan is tot nu toe vrij complex geweest. Chemici van de Universiteit van Bonn hebben met behulp van geavanceerde computersimulaties een duurzaam katalyseproces ontwikkeld. Daardoor kunnen acetalen in de toekomst gemakkelijker en op een milieuvriendelijkere manier kunnen worden gesynthetiseerd.
De reactie in dit proces is gebaseerd op een mechanisme dat in de natuur voorkomt. Tot nu toe werd het echter zelden gebruikt in de chemische synthese. Om acetalen te produceren, moeten twee zuurstofatomen zich binden aan een koolstofatoom. Dit gebeurt meestal door middel van oxidatie, maar meestal worden hiervoor sterke oxidatiemiddelen gebruikt. Het oxidatiemiddel dat overblijft van de reactie moet worden verwijderd.
“In onze studie beschrijven we echter een traject dat atoom-economisch wordt genoemd. Dat wil zeggen, waarbij geen afval wordt geproduceerd”, aldus prof. dr. Andreas Gansäuer van het Kekulé Instituut voor Organische Chemie en Biochemie van de Universiteit van Bonn. “In dit proces bevat het startende molecuul zelf al het zuurstofatoom dat nodig is voor de oxidatie. De katalyse die we hebben ontwikkeld verschuift gewoon deze zuurstof in het molecuul, waardoor de acetaal ontstaat.”
Zuurstofterugkaatsing
Het startmolecuul bevat een zogenaamde epoxidegroep – een soort “driehoek” waarin twee hoeken worden gevormd door koolstofatomen en de derde door een zuurstofatoom, schrijven Gansäuer en zijn collega’s in het tijdschrift Angewandte Chemie. Omdat zulke drievoudige ringen onder grote spanning staan, breken ze gemakkelijk uit elkaar bij het zuurstofatoom. In dit proces slaan epoxides de benodigde reactie-energie op als een gespannen veer. Hiervoor is echter een geschikte katalysator nodig. Zuurstofatomen hebben twee armen waarmee ze zich kunnen binden, en één van deze armen komt vrij als de epoxide-ring breekt. De katalysator bindt zich er nu tijdelijk aan.
Dit leidt tot een opeenvolging van interne herschikkingen in het molecuul, waarbij het zuurstofatoom de katalysator vrijgeeft en zich in plaats daarvan aan de gewenste koolstof bindt, legt Gansäuer uit. “We noemen deze stap zuurstofterugkaatsing.”
Hoewel dit mechanisme gebruikelijk is in de natuur, is het zelden gebruikt in chemische syntheses. Zo gebruikt de lever onder andere ‘zuurstofterugwinning’ om giftige stoffen af te breken. De zogenaamde P450-enzymen fungeren in dit proces als katalysator. In hun actieve centrum zit een ijzeratoom. “Het hart van onze katalysator bestaat ook uit het niet-giftige metaal titanium”, legt prof.dr. Stefan Grimme van het Instituut voor Fysische en Theoretische Chemie van de Universiteit van Bonn.
Algoritmen ontwikkeld
Bij de acetaalsynthese neemt het titanium eerst een zuurstofatoom op en geeft het vervolgens weer vrij. De oxidatie wordt dus gevolgd door een zogenaamde reductie. Om dit te doen, moet het echter aan de ene kant de zuurstof sterk genoeg aan zichzelf binden, maar aan de andere kant mag het zich niet te veel “vastklampen”.
Om deze zuurstofaffiniteit correct in te stellen, is het titanium gebonden aan bepaalde moleculen; zijn liganden. Afhankelijk van de bindingspartner heeft het metaal dan een iets sterkere oxiderende werking of kan het gemakkelijker worden gereduceerd, aldus de onderzoekers. De keuze van de meest geschikte ‘tuning moleculen’ wordt tegenwoordig door de computer gemaakt.
De onderzoeksgroep van Prof. Grimme is gespecialiseerd in deze taak. In de afgelopen jaren hebben zij algoritmen ontwikkeld die zeer snelle simulaties van katalysatoreigenschappen mogelijk maken. Op deze manier konden de wetenschappers hun katalysator optimaliseren zodat deze het uitgangsmateriaal volledig omzet in het gewenste acetaal.
“Het resultaat documenteert heel mooi hoe nuttig een nauwe samenwerking tussen experiment en theorie is om duurzame katalyse-methoden te ontwikkelen”, benadrukt Gansäuer.
Ook interessant: De zon wijst de weg naar een duurzame chemie.
Foto: In geoxideerde toestand is titanium rood (links), in gereduceerde toestand is het blauw.(rechts). © AG Gansäuer, Pierre Funk/Universität Bonn
