Licht maakt extreem reactief waterstofatoom bruikbaar zonder metaal

Een team van het Max Planck Institute of Colloids and Interfaces, University College London en Imperial College London heeft een manier gevonden om losse waterstofatomen te maken en direct in te zetten voor chemische reacties. De atomen ontstaan onder milde omstandigheden, zonder de metalen die scheikundigen normaal gebruiken om reacties op gang te brengen. Dat maakt de methode schoner en potentieel goedkoper dan bestaande technieken.

Waterstof komt in het lab bijna altijd voor als H₂: twee waterstofatomen die stevig aan elkaar vastzitten in een stabiel molecuul. Een los waterstofatoom, aangeduid als H•, is een heel ander verhaal. Dat waterstofradicaal heeft maar één elektron te veel of te weinig in vergelijking met een stabiele verbinding en grijpt daardoor direct alles aan wat in de buurt is. De Amerikaanse Nobelprijswinnaar Irving Langmuir beschreef het deeltje meer dan honderd jaar geleden al, maar het bleef tot nu toe vrijwel onmogelijk om het gecontroleerd te gebruiken.

Een flits van licht als sleutel

De onderzoekers combineerden het stikstofhoudende molecuul hydrazine met een derivaat van thiofenol en belichtten het mengsel. Dat licht levert de energie om een elektron te laten overspringen tussen de twee stoffen. Volgens de metingen ontstaat daarbij eerst een kortlevend tussenproduct dat behoort tot een groep stoffen die bekendstaat als Rydberg-moleculen: deeltjes met een elektron dat extreem ver van de kern af zweeft. Dat tussenproduct bestaat maar 13 picoseconden, dertien biljoenste seconden, voordat het uiteenvalt en een vrij waterstofatoom vrijgeeft. In die ultrakorte flits ligt de crux van de methode: door het ontstaan van het radicaal zo precies te timen, kunnen de wetenschappers het meteen laten reageren voordat het iets ongewensts aanvalt.

Scheikunde zonder metalen katalysator

Met de zo opgewekte waterstofatomen lukte het de groep om verschillende organische moleculen te reduceren, waaronder ingewikkeld opgebouwde alkenen en verbindingen met halogeenatomen. Reductiereacties zijn een kernonderdeel van de organische chemie: fabrikanten gebruiken ze om moleculen extra waterstof te geven of hun elektronenstructuur te veranderen, bijvoorbeeld bij de productie van medicijnen of kunststoffen. Normaal zijn daarvoor vaak metalen zoals palladium of nikkel nodig, die duur zijn en na gebruik als afval verwerkt moeten worden. Een reductor die volledig uit licht en twee eenvoudige moleculen bestaat, zou dat proces een stuk schoner maken.

Hoofdonderzoeker Nils J. Flodén noemt het waterstofatoom "ongelooflijk simpel maar ook extreem reactief". Peter H. Seeberger, directeur van de afdeling Biomolecular Systems bij het Max Planck Institute, ziet de ontdekking als een nieuw gereedschap voor synthetische chemici. De onderzoekers benadrukken dat dit pas het begin is: ze willen nu uitzoeken of de truc ook werkt voor andere reacties, en zelfs in biologische toepassingen. Hoe breed de methode uiteindelijk inzetbaar is, moet vervolgonderzoek nog aantonen.