UvA-onderzoekers presenteren een nieuwe strategie om hun homogene katalysatoren te optimaliseren. Breng eerst de supramoleculaire interacties met het substraat zo goed mogelijk in kaart en zoek dan op de computer naar moleculaire variaties die deze interacties sterker maken, schrijven Joost Reek, Bas de Bruin en collega’s in Angewandte Chemie.

In de publicatie demonstreren ze het aan de hand van een asymmetrisch rhodiumcomplex dat methyl-2-hydroxymethacrylaat enantioselectief hydrogeneert tot één van beide spiegelbeelden van de zogeheten Roche-ester. De computer voorspelde dat vervanging van een ureumgroep door een fosfine-oxide de katalysator een stuk actiever maakt en tevens de toch al excellente enantioselectiviteit nog verder verbetert. Experimenten bewezen dat de computer gelijk had.

Dat complex presenteerde Reek al in 2009 in Angewandte. Het bestaat uit een rhodiumkern en twee totaal verschillende organische liganden die er via een vorm van moleculaire zelfassemblage omheen gaan zitten. Behalve aan het rhodium zitten ze ook losjes aan elkaar vast, via een waterstofbrug.

Hoe deze katalysator precies werkt, en waarom hij zo selectief één spiegelbeeldisomeer produceert, was tot nu toe niet duidelijk. Een combinatie van röntgenkristallografie, NMR, kinetiekexperimenten en dichtheidsfunctionaaltheorie heeft nu helderheid geschapen. Die waterstofbrug blijkt essentieel. De OH-groep van het methyl-2-hydroxymethacrylaat gaat er als het ware tussen zitten zodat je twéé van die bruggen krijgt. Dat stabiliseert de combinatie van katalysator en substraat in de juiste stand, en blijkt bovendien de energiedrempel voor de eigenlijke hydrogenering te verlagen.

Als het zo werkt, mag je verwachten dat het nog beter gaat werken als je die waterstofbrug versterkt. Reek en collega’s probeerden het uit door de ureumgroep, die werkt als acceptor, te vervangen door een fosfine-oxide. Dat moet een sterkere acceptor zijn, en zoals de tekening laat zien veranderen de twee extra aromaatringen weinig tot niets aan de vorm van het actieve centrum van de katalysator.

De computersimulaties voorspelden dat dit inderdaad een nóg betere katalysator oplevert. En experimenten bevestigen het: de enantioselectiviteit zit nu boven de 99 %, en de energiedrempel is nog lager zodat de reactiesnelheid verder wordt verhoogd.

Volgens de Amsterdammers is het een vorm van rationeel katalysatorontwerp, die bredere toepassing verdient.

bron: UvA, Angewandte