Wetenschappers hebben een manier ontwikkeld om met licht afzonderlijke waterstofatomen te produceren en direct te gebruiken voor chemische reacties. Daarmee komt een bijzonder reactieve vorm van waterstof, die al meer dan een eeuw moeilijk te beheersen is, binnen bereik van de synthetische chemie. De methode kan nieuwe mogelijkheden bieden voor de productie van complexe moleculen, bijvoorbeeld in de farmaceutische industrie.
Waterstof kennen we vooral als H2, een molecuul waarin twee waterstofatomen aan elkaar gebonden zijn. Maar zodra die binding wordt verbroken, verandert het gedrag drastisch. Een afzonderlijk waterstofatoom is een radicaal met een ongepaard elektron en reageert daardoor bijzonder gemakkelijk met andere stoffen.
Juist die reactiviteit maakt het interessant voor chemische synthese. Het probleem is alleen dat zulke atomen moeilijk gecontroleerd te produceren zijn. Onderzoekers van het Max Planck Institute of Colloids and Interfaces, University College London en Imperial College London hebben daarvoor nu een nieuwe aanpak gevonden. Het onderzoek verscheen in het Journal of the American Chemical Society en kan de deur openen naar reacties die met bestaande methoden moeilijk uitvoerbaar zijn.
Eeuwoude ontdekking krijgt een nieuw vervolg
De geschiedenis van atomair waterstof gaat terug tot 1912. Toen ontdekte de Amerikaanse chemicus Irving Langmuir dat waterstofmoleculen uiteenvallen in afzonderlijke atomen wanneer ze in contact komen met een sterk verhitte wolfraamdraad. Daarvoor waren temperaturen boven de 2.000 kelvin nodig. Zulke extreme omstandigheden zijn voor veel organische moleculen ongeschikt.
De nieuwe methode werkt onder veel mildere omstandigheden. Onderzoekers combineren hydrazine met een thiophenolderivaat en belichten het mengsel. De lichtenergie brengt een elektronenoverdracht op gang, waardoor uiteindelijk reactieve waterstofradicalen kunnen ontstaan.
Een molecuul dat nauwelijks bestaat
Het bijzondere zit in het vermoedelijke reactiemechanisme. Volgens de onderzoekers ontstaat een extreem kortlevend tussenproduct dat behoort tot de zogenoemde Rydberg-radicalen.
Bij deze bijzondere deeltjes bevindt een elektron zich in een hoogenergetische toestand. Verwante Rydberg-radicalen hebben een levensduur van slechts ongeveer 13 picoseconden, oftewel 13 biljoensten van een seconde.
Wanneer het tussenproduct uiteenvalt, kan een afzonderlijk waterstofatoom vrijkomen. De onderzoekers onderbouwen dit mechanisme met spectroscopische metingen en kwantumchemische berekeningen.
Waterstofradicalen tonen hun potentieel
Het team demonstreerde dat de geproduceerde waterstofradicalen verschillende organische verbindingen kunnen reduceren, waaronder alkenen met meerdere functionele groepen en halogeenverbindingen.
Opvallend is dat daarvoor geen metaalhoudende katalysator nodig is. Dat kan interessant zijn voor de farmaceutische industrie, waar metaalresten in eindproducten streng gecontroleerd moeten worden. Bovendien kunnen mildere reactieomstandigheden helpen om kwetsbare moleculen intact te houden. Daarmee zou de techniek uiteindelijk nuttig kunnen worden bij het vervaardigen van complexe geneesmiddelmoleculen en fijnchemicaliën.
Nog geen groene revolutie
Dat de methode met licht werkt en geen metalen vereist, betekent overigens niet automatisch dat ze duurzaam is. Hydrazine is een giftige, gevaarlijke stof en ook het energieverbruik van de lichtbron telt mee.
Daarnaast moeten onderzoekers nog aantonen dat de techniek op grotere schaal efficiënt en economisch toepasbaar is.
De wetenschappelijke betekenis is desondanks groot: een van de eenvoudigste, maar lastigst beheersbare reactieve deeltjes uit de chemie wordt toegankelijk voor praktische synthesereacties.
