Gefrustreerde Lewis-paren (frustrated Lewis pairs, FLP’s) bestaan uit een elektrondichtheid-accepterend Lewis-zuur en een elektrondichtheid-donerende Lewis-base die samen in een sterisch gehinderde, ofwel gefrustreerde, structuur zitten. Het ‘oplossen’ van die frustratie kan chemische reacties katalyseren; in 2006 splitsten de eerste FLP-onderzoekers er waterstof mee. Sindsdien is het veld flink gegroeid en blijken er heel veel (katalytische) reacties mogelijk.

Maar Errikos Kounalis, promovendus in de groep van universitair hoofddocent Danny Broere aan de Universiteit Utrecht, was in eerste instantie met heel iets anders bezig. Tijdens zijn masterstage – die hij eveneens bij Broere liep – ontwikkelde Kounalis een ligand om twee metaalatomen vlakbij elkaar te plaatsen. ‘Het was perfect voor de latere, “zachtere” overgangsmetalen volgens de hard and soft acids and bases-theorie’, vertelt Broere. ‘Je kunt het zien als een ligand met twee parkeerplekken, waarbij er twee zachte metalen konden parkeren.’

Raar

Toen Kounalis aan zijn promotieonderzoek begon, was hij net terug van een stage in de VS. ‘Daar deed ik veel chemie met vroege overgangsmetalen, zoals titanium.’ Broere was benieuwd wat dat zou doen met het ligand, dus stelde Kounalis voor om het gewoon maar te proberen. Broere: ‘Volgens de theorie zou dit niet moeten werken, maar soms moet je gewoon tegen beter weten in dingen proberen. Enerzijds om de theorie te testen, maar anderzijds ook omdat je nooit weet wat er precies uit kan komen.’

Zo gezegd, zo gedaan. Kounalis complexeerde het ligand – ^t-BuPNNP met twee coördinerende fosfinegroepen – met het harde titanium en zag meteen iets raars gebeuren. ‘Bij de overgang van één equivalent naar twee equivalenten ging de kleur van de oplossing van auberginepaars naar olijfgroen’, aldus Kounalis. ‘Toen we de kristalstructuur bekeken zagen we niet twee titaniumatomen in het ligand, maar een enkel titaniumatoom dat een chlooratoom van een ander titaniumcomplex uit de oplossing had gestolen.’

BMW

De twee fosfinegroepen zijn eigenlijk bedoeld om elk aan één metaalatoom te coördineren, maar beide kanten deelden het ene titaniumatoom, tegen de verwachting in. ‘Die Ti-P-bindingen waren echt bijzonder lang, de langste die op dat moment bekend waren’, zegt Kounalis. Broere vult aan: ‘Titanium gedroeg zich als een asociale BMW die twee parkeerplekken in beslag neemt.’

Deze ontdekking gaf het startsein voor het onderzoek dat nu is gepubliceerd in Chemical Science. ‘Omdat de fosfines niet zo goed bij het titaniumatoom kunnen, is er sprake van een gefrustreerde Lewis-interactie’, legt Kounalis uit. ‘En omdat deze frustratie uit drie spelers bestaat, kun je het een gefrustreerd Lewis-trio [FLT, red.] noemen. Met die frustratie onderzochten we vervolgens de reactiviteit. Het werd al snel duidelijk dat we epoxides konden omzetten, maar hoe dat precies ging bleef nog even een mysterie.’

Na een weekendexperiment lukte het om wat kristallen te isoleren; volgens de kristallograaf legde het complex eerst het epoxide om naar een aldehyde en pas daarna was er sprake van activering van het aldehyde over de titanium-fosfinebinding. ‘We dachten een redelijk compleet verhaal te hebben en vorderden al flink met het manuscript’, vertelt Kounalis, ‘maar toen we de literatuur indoken twijfelden we of we de juiste insteek hadden. We zagen toen pas dat het bestaan van het Lewis-trio al in 2017 was voorspeld, dus toen hebben we dat als focuspunt gekozen voor onze paper en zelf nog veel berekeningen gedaan.’

Slinger

Het grote verschil tussen een FLP en een FLT is dat die laatste een extra zijarm heeft. De onderzoekers vergelijken de interactie tussen de armen en het metaal met een slinger (pendulum) : twee van de gefrustreerde partners faciliteren een reactie, terwijl de extra zijarm voor de benodigde elektronendichtheid zorgt door meer of minder aan het metaal te coördineren.

‘Het concept achter deze reactiviteit, hemilability, zie je in de homogene katalyse, maar ook in enzymen’, legt Broere uit. ‘In een complex helpt een donoratoom om de beste bindingssituatie te creëren voor een reactie-intermediair door wel of niet te coördineren. De hoge activeringsenergie van een chemische reactie wordt zo opgedeeld in kleinere stapjes, waardoor de reactie sneller zal verlopen bij een lagere temperatuur.’ Met het motief uit de paper heb je dus een extra handvat om dat soort systemen te tunen om de activeringsenergie nóg verder te verlagen. ‘Het is de eerste keer dat hemilability bij een FLP-achtig systeem is aangetoond’

Nu deze fundamentele en experimentele stappen zijn gezet, kun je dit verder gaan ontwikkelen. Kounalis: ‘Er is katalytisch gezien veel te halen, je kunt makkelijk variëren met het middelste metaal of met de Lewis-bases aan de buitenkant. Het huidige complex moet vooral fungeren als springplank voor verdere tunability.’

Kounalis, E. et al. (2024) Chem. Sci., DOI: 10.1039/D3SC06789K