Nieuwe mogelijkheden in de fosforchemie.

Voor organicus Chris Slootweg, sinds een jaar hoofddocent aan de Universiteit van Amster­dam, staat de esthetiek voorop. ‘Moleculen maken die er gewoon gaaf uitzien, maar niet direct een toepassing hebben.’ Onlangs presenteerde hij in Angewandte Chemie enkele grote stappen in de richting van zijn favoriet: monofosfatetrahedraan, een tetraëder van drie koolstofatomen en één fosforatoom. Tot nu toe bestaat die structuur alleen op papier.

Het was al een van zijn doelmoleculen toen Slootweg promoveerde bij Koop Lammertsma (Vrije Universiteit Amster­dam), in 2005. ‘Je loopt aan tegen de grenzen van de synthetische methodologie. Tot voor kort kon het gewoon niet. Dat we onze eigen state-of-the-artmethodes moeten ontwikkelen, is een van de leuke dingen aan dit project.’

Atoomeconomisch

Monofosfatetrahedraan is een analoog van tetrahedraan, C₄R₄. Dat bestaat wel, zij het alleen met tamelijk omvangrijke R’s: tert-butyl of trimethylsilyl aan elke C is wel het minste. Je maakt het bijvoorbeeld uit cyclobutadieen, een anti-aromatisch molecuul dat eveneens te instabiel is om zonder die restgroepen te overleven. Die fotochemische omlegging is volgens Slootweg een schoolvoorbeeld van een ideale, duurzame synthese. ‘Ze is atoomeconomisch: 100 % van de uitgangsmaterialen komt in het product terecht, zonder dat je afval overhoudt’, legt hij uit.

Witte fosfor (P₄) is ook zo’n tetraëder. Maar je kunt niet simpelweg C’s in tetrahedraan door P’s vervangen. Meer voor de hand ligt dat je de structuur opbouwt uit negatief geladen fosfor en een kleine, positief geladen koolstofring, bijvoorbeeld een 1,2,3-tris-tert-butylcyclopropeniumion. Dankzij wijlen Ronald Breslow is dat laatste ion al een tijdlang beschikbaar. ‘Maar P^- gold als instabiel’, vertelt Slootweg. ‘Totdat ETH-onderzoeker Hansjörg Grütz­macher zorgde voor een doorbraak met zijn stabiele NaOCP. Inmiddels maken ze dat met 50 of 100 g tegelijk, en vind je het elke maand wel in een Angewandte-publicatie terug.’

Zijn eigen bijdrage laat nu zien dat de combinatie van een cyclopropeniumion en NaOCP doorreageert tot een dimeer: 1,3-difosfetaan-2,4-dion. Dat valt weer uiteen tot fosfatricyclo[2.1.0.0]pentanon, dat al sterk op monofosfatetrahedraan lijkt. Isomeriseren tot iets fosfacyclobutadieenachtigs lukt ook al.

‘We moeten die CO nog selectief zien te verwijderen’

Alleen zit in beide gevallen de CO uit NaOCP er nog in. ‘Als we die selectief kunnen verwijderen, zitten we op het doelmolecuul en de volgende Angewandte-publicatie’, zegt Slootweg. Hij vermoedt dat het stiekem al is gelukt: tijdens een experiment zag hij de oplossing tijdelijk verkleuren, wat de vorming suggereert van anti-aromatische moleculen die meteen weer verder reageren. ‘We gaan nu de structuur afschermen met nog grotere R-groepen. Op fosfacyclobutadieen passen er tenslotte nog maar drie, in plaats van vier. Ik denk aan dimethyl-tert-butylsilyl, waarmee George Olah ooit succes heeft gehad.’

Begrijpen

De publicatie doet vermoeden dat er veel trial-and-error aan te pas komt, maar volgens Slootweg is dat schijn. ‘Nieuwe kennis ontwikkelen is onze drijfveer. Door heel gericht te observeren wat er gebeurt tijdens experimenten, en onze waarnemingen te toetsen aan theoretische modellen, proberen we te begrijpen wat een molecuul doet. En dan passen we het aan totdat we de chemie hebben gecreëerd die we zoeken.’

Hij vermoedt dat de uiteindelijke realisatie van zijn doelmolecuul een kwestie wordt van synthetische elektrochemie, volgens hem een ondergewaardeerd gereedschap dat nu volop in ontwikkeling is. ‘Het wachten is op een nieuwe promovendus.’