Ondanks dat oscillerende reacties veel voorkomen in levende cellen, is het maken van synthetische varianten toch een vak apart. In zo’n reactie, zoals de jodiumklokreactie, wisselen chemische reacties elkaar af waardoor een golvend (oscillerend) patroon ontstaat. Dat uit zich bijvoorbeeld in kleurveranderingen. De meeste oscillerende reacties zijn gebaseerd op anorganische reacties. Die zijn alleen niet echt praktisch inzetbaar omdat je in heel zure condities te werk moet gaan. Een andere optie is enzymatische oscillatie, maar het nadeel daarbij is dat ze niet makkelijk aan te passen zijn.  

‘Het zijn allemaal oscillerende systemen die niet zijn gekoppeld aan een andere chemische reactie’, zegt Syuzanna Harutyunyan, hoogleraar homogene katalyse aan de Rijksuniversiteit Groningen. ‘Wat ons artikel laat zien is een compleet organisch oscillerend systeem dat ook nog een katalytische functie uitvoert in een andere reactie. Op een gegeven moment hadden we dertien stoffen in één kolf. Dat is in de organische chemie normaal gesproken echt geen optie, maar door het ontwerp van mijn promovendus Matthijs ter Harmsel lukte het wel.’ 

Piperidine

Ter Harmsel klopte zo’n vier jaar geleden aan voor een promotietraject bij de groep van Harutyunyan, die hem vroeg of hij een project met oscillaties interessant zou vinden. ‘Ik wist daar weinig van’, vertelt Ter Harmsel, ‘ik kende alleen de filmpjes op YouTube. Maar het onderwerp greep me wel aan en ik begon meteen een ontwerp te maken.’ De inmiddels cum laude gepromoveerde Ter Harmsel had binnen een paar weken een werkbaar idee: centraal staat een autokatalytisch proces waar je inhibities en reacties omheen bouwt. Het systeem zou vrij complex worden, dus moet je zorgen dat je de rest simpel houdt. 

‘Om dit te laten werken moet je zoeken naar organische moleculen die een goede katalysator zijn en ook autokatalytische en inhibitiereacties kunnen ondergaan’, legt Harutyunyan uit. ‘Van piperidine is bekend dat het een goede organische katalysator is en dus kun je het inzetten voor een combinatie van die benodigde processen: een autokatalytische reactie waarbij er meer piperidine vrijkomt en een andere reactie waarbij piperidine wordt geconsumeerd.’ 

‘Ik ging op zoek naar een relatief eenvoudige autokatalytische reactie met piperidine en de Fmoc-ontscherming kwam als beste uit de bus’, vervolgt Ter Harmsel. De Fmoc-groep (fluorenylmethoxycarbonyl) is een veelgebruikte beschermgroep om amines te beschermen. Dat werd het startpunt voor de reactieketen: eerst de autokatalyserende Fmoc-piperidine ontscherming, dan N-methylpiperidine-gekatalyseerde Fmoc-piperidine ontscherming, snelle inhibitie via acetylering, langzame inhibitie met fenylacetaat en tegelijkertijd een piperidine-gekatalyseerde chemische reactie tussen twee reactanten. Ze controleerden de concentratie van de reagentia met in situ IR-spectroscopie (zie Figuur 1). 

Je ziet op die manier de concentratie oplopen en weer afnemen, resulterend in één puls. ‘Die ene puls heeft ons twee jaar gekost. We hebben destijds ook een gesprek gehad met Albert Wong van de Universiteit Twente, die ervaring heeft met het modelleren van complexe systemen. Want voor een oscillatie heb je natuurlijk heel veel pulsen nodig’, zegt Harutyunyan. Op een zeker moment kwam ze Wilhelm Huck tegen, hoogleraar fysische organische chemie aan de Radboud Universiteit. Huck heeft veel ervaring met enzymatische oscillaties in flowsystemen. Harutyunyan: ‘In een batch krijg je slechts één puls. Voor oscillaties moet het systeem uit evenwicht blijven, wat je kunt bereiken door stroming; je bootst dan vele batchreacties na.’  

Tijdgebonden

Ter Harmsel is daarom een week op het Huck-lab geweest om de fijne kneepjes van flowsystemen te leren. ‘Samen met Oliver Maguire stond ik soms wel twaalf uur in het lab; zodoende kreeg ik de technische knowhow die we in Groningen misten’, vertelt Ter Harmsel. ‘Op die manier hoefden we het wiel niet opnieuw uit te vinden, maar kon ik die kennis meenemen om op ons eigen lab iets vergelijkbaars te bouwen.’ Lachend: ‘Ik noemde ons systeem tijdens een meeting gekscherend de “Harmselator” en die naam is blijven hangen.’ 

Daarmee stond de oscillatie en was de volgende vraag aan welke reactie het kon worden gekoppeld. Harutyunyan: ‘De Knoevenagel-condensatie leek een goede optie: in theorie zouden de reagentia elkaar dan niet moeten storen en in de praktijk bleek dat de juiste keuze. Daarnaast is het een snelle reactie.’ Dat is belangrijk omdat je oscillatiepiek tijdgebonden is. De reagentia hebben dus maar kort de tijd om met elkaar te reageren.  

Toen het project al redelijk ver was, sloot Sofiyah Runikhina aan. ‘Zij was echt gericht op toepassingen’, herinnert Harutyunyan zich. ‘Haar betrokkenheid kwam vooral bij het katalysegedeelte van de oscillator.’ Ter Harmsel: ‘We gingen met z’n drieën brainstormen over hoe we het geheel een stapje verder konden brengen. We verdeelden de ideeën onder ons tweeën en zijn van alles gaan proberen. Op een gegeven moment wilde het niet zo lukken en terwijl we voor de zuurkast stonden, zei Sofiyah: “Niks lijkt te werken. Kunnen we niet juist profiteren van een reactie die niet werkt?” Dat bleek een goed idee: de ene reactie lukte niet en de andere wel en daarmee hadden we selectiviteit geïntroduceerd in het systeem.’ Op dit moment is Runikhina als postdoc aan het kijken of er andere opties zijn. 

Tandem

Die opties zijn er zeker volgens Harutyunyan. ‘Als je naar een cel kijkt, dan zie je daar allerlei reacties parallel gebeuren, heel gecontroleerd. Ik denk dat we daar in de toekomst heen kunnen, het beheersen van zulke complexe systemen. Idealiter zouden we verschillende oscillatoren met verschillende kinetiek willen hebben. Daar zijn we al naar aan het kijken in onze groep: op dit moment werken we aan tandemoscillaties: wanneer de eerste start, wordt de tweede aangeslingerd die de eerste weer stimuleert, enzovoort.’ Een andere praktische toepassing waar het team aan denkt is de oscillator koppelen aan polymerisatie. ‘Je zou dan andere polymeerketens kunnen krijgen afhankelijk van de kinetiek van de oscillatie. Maar nu ben ik aan het speculeren, hoor’, zegt ze met een lach. 

Wel wordt het op deze manier steeds complexer en zal modelleren steeds belangrijker worden. ‘Er zijn zoveel parameters die tegelijkertijd veranderen. Daarom moet je modelleren combineren met experimenteren. Het wordt misschien moeilijk, maar ik denk echt dat dit soort complexe systemen maken mogelijk is’, besluit Harutyunyan. 

Matthijs ter Harmsel, et al., A catalytically active oscillator made from small organic molecules, Nature (2023)