Wat er precies gebeurt tijdens katalytische reacties, met name op de actieve site of tijdens de transitiefase, is nog steeds gehuld in mysterie. Maar onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam (UvA), de HFML-FELIX-onderzoeksfaciliteit en de Radboud Universiteit zijn er in geslaagd om de reactieve structuur te ontrafelen van 1-(2-nitro-ethyl)naftaleen (een nitro-olefine) gekoppeld aan Takemoto’s katalysator als onderdeel van de bekende Michael-additie van deze verbinding aan malonaten.

‘Ik onderzocht deze chirale reacties met VCD-spectroscopie en wilde reactieve tussenproducten vinden, maar tot nu toe zonder succes’, zegt Wybren Jan Buma, hoogleraar Moleculaire Spectroscopie aan de UvA. ‘Toevallig heb ik ook een achtergrond in moleculaire stralen, dus ik dacht: “Laten we dat eens proberen.”’ Hij nam contact op met zijn connecties bij HFML-FELIX (waar hij ook een deeltijdbaan heeft), de ultramoderne IR-laserfaciliteit in Nijmegen, en vroeg samen met postdoc Sander Lemmens om beam time om de tussenproducten in de gasfase te vangen.

Complex

Het duurde even voordat het project van de grond kwam, omdat de experimenten erg uitdagend waren. Dankzij de expertise van een van de medewerkers van HFML-FELIX, Piero Ferrari, is het toch gelukt. ‘De opstelling werkt prima als je één molecuul wilt bestuderen’, legt Ferrari uit. ‘Maar in dit geval moesten we specifieke omstandigheden creëren om twee of drie moleculen tegelijk in de straal te vangen. Ze moesten daarnaast niet zomaar wat ronddwarrelen, maar ook nog een complex vormen.’ Bovendien moest het complex lang genoeg stabiel blijven om de tussenstadia van de reactie met spectroscopie bestuderen.

Een andere uitdaging was om het complex in de straal te krijgen. ‘Meestal creëer je een damp van je verbinding door deze te verwarmen of met laserdesorptie’, zegt Buma. ‘Maar in ons geval zijn de moleculen vast of vloeibaar, dus moesten we allerlei verdampingstechnieken tegelijkertijd gebruiken. Om dat op te lossen, was heel wat Fingerspitzengefühl nodig.’ Op een gegeven moment, voegt Ferrari toe, ‘waren we verbaasd dat het überhaupt werkte’.

Katalysator in actie

Het team voerde de experimenten achtereenvolgens uit met behulp van de toepasselijk genaamde Bundle Machine (BUMA). Na wat aanvankelijke problemen vonden ze omstandigheden waarin de katalysator zichtbaar was in complex met één reactant. ‘Toen merkten we dat de conformatie van de katalysator anders was dan in de literatuur beschreven’, zegt Ferrari. Buma vervolgt: ‘Dat had te maken met de reactieve toestand. Net als in oplossing neemt de katalysator een andere conformatie aan wanneer hij reageert met de substraten.’ Hierdoor konden ze precies vaststellen hoe de katalysator waterstofbruggen gebruikt om het substraat te binden.

Het is heel bijzonder om de katalysator zo in actie te zien. ‘Normaal gesproken is een reactief tussenproduct een vluchtige toestand die uiterst moeilijk waar te nemen is’, legt Buma uit. ‘Maar we konden het tussenproduct vlak voor de reactie plaatsvond vangen, wat echt uniek is.’ Hoewel de onderzoekers dit hebben aangetoond met een klassieke Michael-additie, geldt hetzelfde principe voor elke katalytische reactie.

‘Dit levert veel informatie op over de geometrie en intermoleculaire interacties, zoals waterstofbruggen’, voegt Ferrari toe. ‘Bovendien kunnen we dit doen met moleculen in neutrale toestanden.’ Tot nu toe werden dit soort analyses alleen uitgevoerd op reacties met geladen deeltjes, die veel gemakkelijker te creëren en te manipuleren zijn. ‘Dit opent veel mogelijkheden, niet alleen voor organische katalysatoren, maar ook voor op metaal gebaseerde katalysatoren in tal van reacties.’

Berekeningen

Hoewel Buma niets dan lof heeft voor de faciliteit, geeft hij ook aan dat je moleculaire dynamica-berekeningen nodig hebt. ’FELIX is fantastisch, maar een complicerende factor is dat je bij het meten van een spectrum slechts een algemeen beeld van de structuur krijgt. Om het preciezer te bepalen, zijn berekeningen nodig, en hoe groter de moleculen en clusters, hoe moeilijker dat wordt. Piero heeft enorm veel werk verzet in dit deel van het project.’

‘Het kost veel tijd’, voegt Ferrari toe. ‘Er zijn veel atomen en conformaties waarmee rekening moet worden gehouden, zowel afzonderlijk als in complexen. Het is een enorme ruimte om te bestrijken.’ Berekeningen moeten echter altijd hand in hand gaan met experimenten, vooral als ze zo ingewikkeld zijn. ‘Het is ongebruikelijk om deze clusters van drie grote moleculen te bestuderen’, vervolgt Buma. ‘Dit is de eerste keer dat iemand stom genoeg was om het te proberen, maar het is beter uitgepakt dan we hadden verwacht!’

Volgens Buma opent dit project toepassingen in een breder scala aan katalysatoren. Maar er is meer: ‘Ook vanuit het oogpunt van moleculaire stralen creëert dit een geheel nieuw onderzoeksgebied. Nu er één schaap over de dam is, volgen er geheid meer.’

Ferrari, P., Lemmens, A.K. & Buma, W.J. (2025) J. Phys. Chem. Lett. 16(24), DOI: 10.1021/acs.jpclett.5c01093