Supramoleculaire capsules met een metaalcentrum bieden nieuwe mogelijkheden om selectieve katalysatoren te ontwerpen. Homogene katalyse ontmoet biokatalyse.

Metaalkatalysatoren ‘opsluiten’ voor een betere selectiviteit; bij enzymen is het dagelijkse kost. Ook supramoleculaire capsules kunnen nu een micro-omgeving creëren die daarin opgesloten metaalkatalysatoren opmerkelijk selectiever en reactiever maken. In rodium gekatalyseerde hydroformylering van interne alkenen, een reactie die veelvuldig wordt gebruikt in de bulkchemie, zorgen de capsules bijvoorbeeld voor een tien keer verhoogde reactiviteit.

Dat blijkt uit het onderzoek van Joost Reek, hoogleraar supramoleculaire kata­lyse, en zijn groep aan de Universiteit van Amsterdam. Zij hebben diverse supramoleculaire capsules ontwikkeld die een katalytisch actief metaalcentrum bevatten en de recentste vindingen zijn gepubliceerd in de Journal of the American Chemical Society.

“Het kernidee achter de capsules is het maken van een restricted environment”, vertelt Reek. De beperkte ruimte ‘dwingt’ de substraatmoleculen in een bepaalde oriëntatie. In die vaste oriëntatie kan het metaalcentrum ze sneller én specifieker converteren. De capsules worden gemaakt via een supramoleculair assemblageproces. Het recept is eenvoudig: een metaalbevattende ligand fungeert als mal om meerdere bouwstenen van de capsule te binden. De bouwstenen vormen zo samen de reactieve holte.

Fundamentele bril

Enzymen kunnen ook zeer actief en selectief zijn en vormden dan ook een belangrijke inspiratiebron voor Reek. “Er zijn echter reacties die enzymen gewoon niet kunnen katalyseren en daarom vullen biokatalyse en homogene katalyse elkaar mooi aan”, vertelt de hoogleraar. “Ik denk dan bijvoorbeeld aan de hydroformylering van alkenen die zodoende worden omgezet in aldehydes.”

De Amsterdammers kozen in deze reactie voor capsules die bestaan uit drie moleculen zink(II)tetrafenylporfyrine met als katalysator tris(meta-pyridyl)fosfine met een rodium-atoom. De complete complexen bleken re­gio­specifiek aldehydes uit de alkenen te kunnen maken. Dit terwijl hydroformylaties die buiten de nieuwe capsules plaatsvinden meestal leiden tot een mengsel van beide regio-isomeren van de aldehydes, waarbij de functionele groep op een verschillende plaats zit.

Het is ook interessant om de gelijkenis tussen enzymen en de nieuwe capsules door een fundamentele bril te bekijken. De vraag is dan: hoe beïnvloeden de holtes in de capsules en in enzymen de reactie? “Die vergelijking kan mogelijk nieuwe inzichten opleveren.”

De Amsterdamse onderzoekers experimenteren momenteel met verschillende moleculaire bouwstenen om capsules te assembleren. Ze nemen ook een verscheidenheid aan reacties onder de loep, evenals de mogelijkheid om een chirale capsule te gebruiken om zo specifieke enantiomeerzuivere verbindingen te kunnen maken.

Zelf commerciële toepassingen voor de capsules ontwikkelen, ziet Reek wel zitten, maar daar is het nu nog te vroeg voor. “Ik lever de middelen, kennis en ideeën aan een bedrijf verbonden aan de UvA. Dat bedrijf kan dan de toepassingen eventueel verder ontwikkelen.” Reek ziet de capsules vooral als een techniek voor de toekomst, bruikbaar in de microchemie en de lab-on-a-chip-benaderingen. “Voor alles wat nu werkt en het goed doet, zal dit geen oplossing zijn.”|