Eerste chemische oscillator laat katalyse swingen

Chemische systemen die oscilleren (een ‘schommelbeweging’ vertonen) zie je vaak terug in populaire demonstraties van scheikunde – meestal een oplossing die van kleur verandert. Maar echt nuttig zijn reacties die niet, behalve dan als een soort klok. In de natuur is het anders, daar komen oscillaties voor in allerlei levensprocessen zoals celdeling of het dag/nacht ritme. RUG-onderzoekers hebben nu een oscillerend systeem ontwikkeld met een katalysator die periodiek actief wordt. Deze chemische oscillator kan dus meer doen dan de tijd bijhouden. Een beschrijving van het complexe gedrag dat is gemaakt met behulp van eenvoudige moleculen is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature op 7 september.

FSE Science Newsroom | René Fransen

De gebruikelijke manier om complexe chemische reacties uit te voeren gaat stapje voor stapje, met tussen de reacties steeds weer een zuivering. Het systeem dat nu is ontwikkeld in het lab van RUG hoogleraar Homogene Katalyse Syuzanna Harutyunyan gebruikt een totaal andere methode, die meer lijkt op wat er gebeurt in levende cellen. De verschillende componenten zitten bij elkaar in een reactor waar alle reactie gelijktijdig plaatsvinden. ‘Door positieve en negatieve terugkoppeling te combineren konden we al die reacties laten samenwerken in een oscillerend systeem’, legt Matthijs ter Harmsel uit. Hij werkte aan dit onderzoek als promovendus in de groep van Harutyunyan. De reactor ontvangt een constante toevoer van nieuwe chemicaliën, die zo staat afgesteld dat het systeem uit evenwicht blijft.

Startsignaal

Ter Harmsel ontwikkelde een systeem dat vijf verschillende reacties laat plaatsvinden in één reactor, waarbij elke chemische verbinding een eigen rol heeft. Centraal staat een piperidine-molecuul, dat is voorzien van een beschermende groep (fluorenylmethoxycarbonyl, kortweg Fmoc). Deze groep is gevoelig voor basische stoffen en wordt veel gebruikt in de organische synthetische chemie. Een molecuul dat die beschermende groep verwijdert dient is startsignaal, waarna het piperidine de aanmaak van nog meer piperidine katalyseert. Twee verschillende vormen van acetaat remmen deze reactie af, eentje doet dat snel, de ander traag. De trage rem verwijdert bovendien piperidine uit het reactiemengsel.

Het hele proces vindt plaats in een reactor die voortdurend doorgeroerd wordt, en waar een constante stroom chemicaliën inloopt, terwijl er evenveel vloeistof uit stroomt. ‘Door positieve en negatieve terugkoppeling te combineren konden we een puls veroorzaken in de reactie. Oscillatie is het herhalen van zo’n puls’, legt Ter Harmsel uit. ‘Vervolgens gebruikte ik een model dat de snelheid van alle chemische reacties in het systeem bevat, zodat ik kon bepalen bij welke concentraties het systeem zou gaan oscilleren.’

(Lees door onder de illustratie)

Twee jaar

Met behulp van Oliver Maguire uit het laboratorium van prof. Wilhelm Huck van de Radboud Universiteit Nijmegen lukte het om de juiste omstandigheden voor de oscillatie te vinden. Samen met Ter Harmsel wist Maguire dit reactie-netwerk te laten werken in de doorstroomreactor, waardoor het systeem begon te oscilleren.

De belangrijkste component was een kleine organisch molecuul dat als katalysator werkt, en de onderzoekers bedachten dat ze door dit molecuul verschillende reacties te laten versnellen een oscillatie konden opwekken. Dit zorgt voor een sterkere chemische selectiviteit in de gekoppelde reactie, waarbij één reactie uit een mengsel van mogelijke reacties de overhand krijgt.

Door de oscillaties is er een voortdurende toe- en afnamen van de hoeveelheid chemicaliën in de reactor, waaronder ook de katalysator piperidine. ‘Het kostte ons twee jaar om dit systeem te laten werken, dat bestaat uit een netwerk van dertien verschillende stoffen’, zegt Syuzanna Harutyunyan. ‘Maar nadat we die eerste puls hadden gekregen, wisten we dat het mogelijk was dit systeem te laten oscilleren.’ Wilhelm Huck: ‘Dit is een opwindend multidisciplinair samenwerkingsproject, dat deel uit maakt van het NWO Zwaartekracht programma Functionele Moleculaire Systemen, waarin synthetische chemie, katalyse, fysische organische chemie en theorie allemaal hebben bijgedragen om het systeem aan de praat te krijgen.’

Polymeerborstels

Deze nieuwe oscillator is niet ontworpen om mooie kleurtjes te maken, maar om echt werk te verzetten zoals autonome, tijd-gecontroleerde periodieke synthese. Allerlei biologische processen bestaan uit zulke oscillaties met daaraan gekoppelde processen. Ter Harmsel: ‘Maar voor organisch chemici die aan katalyse werken is dit een vreemd concept.’ Hij is zelf geïnteresseerd in systeemchemie, een vorm van chemie die meer lijkt op biologie.

Het oscillerende systeem lijkt bruikbaar voor praktische toepassingen, bijvoorbeeld om polymeren te maken, stelt postdoc Sofiya Runikhina uit de groep van Harutyunyan. ‘We werken daar nu hard aan. We willen kraaltjes aan de reactor toevoegen waar polymeren op kunnen groeien. Bij iedere oscillatie wordt er dan een monomeer aan de groeiende keten gezet. Dit is een mooie manier om dichte polymeerborstels te maken.’

Mogelijkheden

Een andere toepassing is het afleveren van geneesmiddelen, aldus Ter Harmsel: ‘Veel geneesmiddelen hebben een vergelijkbare structuur als piperidine. Sommige hormonen kunnen als startsignaal dienen voor de oscillaties.’ Ook is het mogelijk het systeem te gebruiken als een filter, door de ongewenste producten snel te laten reageren zodat ze verdwijnen. De gewenste producten hebben niet genoeg tijd om te reageren tijdens de korte piek in de katalysator-concentratie, dus zullen ze verrijkt aanwezig zijn in de vloeistof die uit de reactor stroomt.

‘We hebben laten zien dat het mogelijk is om een complex systeem met oscillaties en katalyse te maken van eenvoudige moleculen, die je vindt in bijna ieder organisch-chemisch lab’, concludeert Harutyunyan. Dit biedt allerlei mogelijkheden. ‘Zo’n systeem is nooit eerder beschreven, dus we verwachten dat er allerlei nieuwe ontwikkelingen zullen komen. Daar zullen toepassingen bij zijn waar wij nu nog helemaal niet aan gedacht hebben.’

Referentie: Matthijs ter Harmsel, Oliver R. Maguire, Sofiya A. Runikhina, Albert S. Y. Wong, Wilhelm T. S. Huck, Syuzanna R. Harutyunyan: A catalytically active oscillator made from small organic molecules. Nature, 7 september 2023

Er is ook een Nederlandse versie beschikbaar van onderstaande video.