Onderzoek naar katalyse Efficiënte katalyse met minder metaal

Bron: persbericht ISTA | Vertaald door AI 4 min Leestijd

Related Vendor

Bij de productie van geneesmiddelen en andere chemische stoffen worden vaak dure edelmetalen of giftige zware metalen als katalysator gebruikt. Om de processen efficiënter, goedkoper en duurzamer te maken, ontwikkelen ISTA-onderzoekers een door licht geactiveerde nikkelkatalysator. Deze maakt de efficiënte vorming van een breed scala aan chemische bindingen mogelijk.

De ISTA-wetenschappers Bartholomäus Pieber (links) en Aleksander Bena bespreken de moleculaire ontwerpen van nieuwe katalysatoren.(Afbeelding: ISTA)
De ISTA-wetenschappers Bartholomäus Pieber (links) en Aleksander Bena bespreken de moleculaire ontwerpen van nieuwe katalysatoren.
(Afbeelding: ISTA)

Achter een glazen wand in het Pieber Lab van het Institute of Science and Technology Austria (ISTA) bestralen ledlampen kleine reactievatjes met licht. Het licht dient hier niet alleen ter verlichting, maar levert ook energie die een nikkelkatalysator aandrijft en chemische reacties mogelijk maakt.

In een nieuw onderzoek toont de onderzoeksgroep rond Bartholomäus Pieber aan dat een speciaal ontwikkelde nikkelkatalysator de door licht aangedreven chemische synthese zowel veelzijdiger als efficiënter kan maken.

Pieber en zijn team van het ISTA hebben samen met Daniel Bím van de Universiteit voor Chemie en Technologie in Praag een nieuw katalytisch systeem ontwikkeld. Dit systeem verbindt chemische bouwstenen selectief en efficiënt – en heeft daarbij slechts zeer kleine hoeveelheden nikkel nodig.

Nikkel in de schijnwerpers

Achter een glazen ruit schijnen ledlampen op kleine reactievatjes en brengen zo chemische reacties op gang. Op de foto: ISTA-wetenschappers Aleksander Bena (l.) en Bartholomäus Pieber.(Bild:  ISTA)
Achter een glazen ruit schijnen ledlampen op kleine reactievatjes en brengen zo chemische reacties op gang. Op de foto: ISTA-wetenschappers Aleksander Bena (l.) en Bartholomäus Pieber.
(Bild: ISTA)

Geneesmiddelen worden doorgaans vervaardigd via chemische processen die uit meerdere stappen bestaan. Een van de meest voorkomende reactietypen die daarbij worden toegepast, is de zogenaamde kruiskoppeling, waarbij twee moleculaire bouwstenen met behulp van een metaalkatalysator door middel van een nieuwe chemische binding met elkaar worden verbonden. Bij veel belangrijke kruiskoppelingsreacties worden op palladium gebaseerde katalysatoren gebruikt. 

De chemie achter dit proces leverde de ontdekkers ervan zelfs de Nobelprijs op: Richard Heck, Ei-ichi Negishi en Akira Suzuki ontvingen de onderscheiding in 2010 voor de ontwikkeling van door palladium gekatalyseerde kruiskoppelingsreacties in de organische synthese. Juist deze reacties hebben de productie van geneesmiddelen, agrochemicaliën en andere fijnchemicaliën ingrijpend beïnvloed. Palladiumkatalysatoren zijn weliswaar zeer efficiënt, maar het edelmetaal is ook zeldzaam en duur.

Ruim tien jaar geleden toonden de eerste studies aan dat in plaats van palladium ook een combinatie van een nikkelkatalysator en een tweede katalysator geschikt is, die zichtbaar licht als activeringsenergie gebruikt. Hierdoor zouden deze reacties goedkoper en duurzamer kunnen worden. Er zit echter een addertje onder het gras: nikkelkatalysatoren zijn minder efficiënt en maken niet hetzelfde scala aan reacties mogelijk als palladiumkatalysatoren.

„In ons laboratorium proberen we te begrijpen waarom moderne nikkelkatalysesystemen beperkingen vertoonden. Op basis van dit inzicht ontwikkelen, synthetiseren en onderzoeken we alternatieve kandidaten en methoden”, legt onderzoeksgroepsleider Pieber uit.

Weinig nikkel, groot effect

De doorbraak van het onderzoeksteam is te danken aan een op maat gemaakte ligand die de katalytische activiteit van het nikkelatoom verhoogt na activering door zichtbaar licht. Hierdoor kan de nieuwe katalysator bindingen vormen tussen koolstof-, stikstof-, zuurstof-, zwavel- of fosforatomen en zo twee moleculen verbinden tot een grotere en complexere structuur. „Het meest opmerkelijke resultaat was dat we met een zeer kleine hoeveelheid van de nikkelkatalysator op efficiënte wijze complexe bindingen konden vormen”, zegt promovendus Aleksander Bena.

In totaal daalt de benodigde hoeveelheid katalysator tot 100 ppm, oftewel 0,01 molprocent. Eenvoudig gezegd betekent dit: in dit experiment produceert één enkel nikkelkatalysatormolecuul tot wel 10.000 productmoleculen.

Uit het onderzoek blijkt hoe inzicht in de fundamentele reactiviteit van op nikkel gebaseerde moleculen ertoe bijdraagt dat een veelvoorkomend metaal wordt omgezet in een krachtigere katalysator.

„Zulke kleine hoeveelheden katalysator worden doorgaans alleen bereikt met op palladium gebaseerde katalysatoren. Dat dit met een nikkelkatalysator lukt, is erg spannend”, voegt groepsleider Pieber toe. „Deze combinatie van een kleine hoeveelheid katalysator en brede toepasbaarheid voor veel verschillende bouwstenen zou deze aanpak bijzonder interessant kunnen maken voor de synthese van geneesmiddelen en fijnchemische stoffen.“

Schrijf u nu in op de nieuwsbrief

Mis onze beste inhoud niet

Door op 'Abonneren op nieuwsbrief' te klikken, geef ik toestemming voor de verwerking en het gebruik van mijn gegevens in overeenstemming met het toestemmingsformulier (voor details uitvouwen) en accepteer ik de Tgebruiksvoorwaarden. Raadpleeg ons Privacybeleid voor meer informatie. De toestemmingsverklaring heeft met name betrekking op het verzenden van redactionele nieuwsbrieven per e-mail en op de combinatie van gegevens voor marketingdoeleinden met geselecteerde advertentiepartners (bijvoorbeeld LinkedIn, Google, Meta).

Vouw uit voor details over uw toestemming

Ontwikkeling over een periode van meerdere jaren

Aleksander Bena (links) en de groep rond Bartholomäus Pieber proberen het volledige potentieel van door zichtbaar licht geactiveerde katalyse te benutten als een krachtige en duurzame strategie voor de synthetische organische chemie.(Bild:  ISTA)
Aleksander Bena (links) en de groep rond Bartholomäus Pieber proberen het volledige potentieel van door zichtbaar licht geactiveerde katalyse te benutten als een krachtige en duurzame strategie voor de synthetische organische chemie.
(Bild: ISTA)

Al in 2020 zette de groep rond Pieber een eerste belangrijke stap door enkele beperkingen van de nikkelkatalyse te overwinnen. Zo worden nikkelkatalysatoren normaal gesproken vernietigd wanneer complexe bouwstenen worden gebruikt. Door de reactieomstandigheden zorgvuldig te controleren, kan dit echter worden voorkomen. De toenmalige aanpak van de onderzoekers werkte, maar de reacties verliepen nog steeds erg traag en vereisten een grote hoeveelheid nikkelkatalysatoren.

„Dat was natuurlijk nog ver verwijderd van een efficiënte methode”, zegt Pieber. „Maar het was het bewijs dat het haalbaar is. De afgelopen jaren is ons inzicht in deze katalytische reacties gestaag verbeterd.” Voortbouwend op deze ervaringen ontwierp en testte promovendus Aleksander Bena mogelijke structuren voor efficiëntere en robuustere nikkelkatalysatoren, die met zichtbaar licht kunnen worden geactiveerd. „Ik houd van de uitdaging om een chemisch raadsel op te lossen. Je ontwikkelt een idee, test het experimenteel en leert van elk resultaat iets bij“, zegt Bena. Zijn doorzettingsvermogen leidde uiteindelijk tot het nieuwe katalysatorsysteem, dat breed inzetbaar is en aanzienlijk minder nikkel nodig heeft.

De onderzoekers hebben inmiddels de veelzijdigheid van hun methode aangetoond door meer dan 150 producten te vervaardigen. Het spectrum reikt van eenvoudige moleculaire bouwstenen tot complexe moleculen en derivaten van geneesmiddelen zoals fluoxetine, een van de meest gangbare en meest voorgeschreven antidepressiva.

Oorspronkelijke publicatie: A. R. Bena et al.: Ligandontwerp verbreedt NiI-gekatalyseerde C(sp²)–heteroatoomkoppelingen van arylbromiden bij lage katalysatorconcentraties, Nature Catalysis (2026); DOI: 10.1038/s41929-026-01616-6