De organische chemie kent zo zijn vraagstukken. Waar valt een molecuul aan, reageert een molecuul als base of als nucleofiel, gaat een reactie via E1 of S_N1, S_N1 of S_N2 of natuurlijk S_N2 vs. E2. Thomas Hansen en Pascal Vermeeren, beiden universitair docent aan de Vrije Universiteit Amsterdam, begonnen vijf à zes jaar geleden vanuit hun PhD aan dat laatste onderwerp. De publicaties die daaruit voortvloeiden zijn nu samengevat in dit Concept article.

Bijzondere tijd

‘Vanuit dit project is ook onze vriendschap gestart en we werken nog steeds samen’, zegt Vermeeren. ‘Het is een mooi moment om het hoofdstuk af te sluiten en alles samen te vatten.’ Hansen stemt in vanuit hetzelfde kantoor: ‘Nu we onze eigen onderzoekslijnen zijn gestart, is dit wel de kers op de taart van al onze avonturen.’

Voor de twee jonge onderzoekers was het een extra bijzondere tijd, omdat het gros van het werk tijdens de covid-periode is gedaan. ‘Als theoreticus kon je relatief normaal verder werken, dus onze dagen waren gevuld met samen videobellen, schrijven en berekeningen doen.’

De filosofie van de TheoCheM-groep waar Hansen en Vermeeren hun onderzoek deden is ‘om met het activatiespanningsmodel inzicht te krijgen in hoe reacties gaan en dat vervolgens vertalen naar inzichten die de experimentalist direct kan gebruiken’, zegt Hansen, die van origine experimenteel chemicus is. ‘Dat maakt dit onderzoek ook zo mooi, het gaat terug naar concepten die alle scheikundigen kunnen begrijpen.’ Zo bieden ze handvatten die voor de lezer te begrijpen zijn.

Vervormen

De hoofdconcepten uit het artikel zijn karakteristieke vervorming, zuurgraad van de overgangstoestand, intrinsieke en daadwerkelijke nucleofiliciteit. ‘Je ziet bijvoorbeeld dat de vervorming van de reactanten significant verschillen’, legt Vermeeren uit. ‘Vervormen kost energie, moleculen willen dat niet over het algemeen.’

Bij een S_N2-reactie wordt er één binding gebroken, maar bij de E2-reactie twee. ‘Dat kost dus meer energie’, vervolgt Vermeeren. ‘Maar tegelijkertijd heeft het vervormen ook een effect op de elektronische structuur. De LUMO van het substraat gaat naar beneden in energie, waardoor de interactie met de Lewis-base beter wordt. Als die base sterk genoeg is, dan wordt het tóch energetisch gunstiger om het E2-pad te bewandelen.’

Het is best een unieke situatie, aldus Hansen. ‘Je hebt twee reactiepaden die tegelijk aanwezig zijn. Voor beide geldt dat als de Lewis-base zwakker wordt, de reactiebarrière omhoog gaat. Maar niet even snel!’ De paden kruisen elkaar op een gegeven moment: bij een sterke Lewis-base is E2 gunstiger, bij een zwakke base S_N2.

Struikelvak

De paper is opgezet met de gedachte dat álle chemici – van student tot theoreticus – er wat mee kunnen. ‘We hopen dat het wordt meegenomen in vakken en colleges om dit concept begrijpelijker te maken’, zegt Vermeeren. Hansen vult aan: ‘We hebben echt ons best gedaan om de figuren ook zo duidelijk mogelijk te maken, bijna tekstboekachtig. Organische chemie blijft voor velen een struikelvak, dus we proberen het zo makkelijk mogelijk te maken.’ Daarbij schuwden ze ook de ingewikkeldere en complexere systemen en de effecten van oplosmiddelen niet. ‘Zo wilden we de relevantie van dit werk laten zien.’

Dit soort competerende reacties zijn inherent ingewikkeld en het kost jaren onderzoek om daar sluitende handvatten voor te bieden. ‘Als je carbokationen in de modellen introduceert, zoals in een E1 of S_N1, wordt het allemaal toch wat ingewikkelder’ , zegt Hansen. ‘Maar er wordt volop gewerkt aan andere reactiecompetities. Jeroen Codée strijdt met de S_N1-S_N2-competitie en daar zijn nog wel wat heuvels te slechten.’ In alles blijft de aanpak hetzelfde: ‘Een berekening én een proefje!’ lacht Hansen.

Vermeeren, P., Hansen, T. et al. (2025) Chem. Eur. J. e202501810, DOI: 10.1002/chem.202501810