Licht maakt losse waterstofatomen eindelijk bruikbaar voor synthese

Een waterstofatoom bestaat uit niet meer dan één proton en één elektron en lijkt daarmee het eenvoudigste deeltje uit het periodiek systeem. Toch is het in de scheikunde een notoir lastig geval. Chemici werken doorgaans met waterstof in de vorm van H2, twee stevig aan elkaar gebonden atomen. Een los waterstofatoom, aangeduid als H•, is daarentegen zo reactief dat het nauwelijks te maken en te sturen is.

Een eeuwenoud probleem

De Amerikaanse Nobelprijswinnaar Irving Langmuir ontdekte het losse waterstofatoom al in 1912. Hij liet waterstofgas uiteenvallen bij een gloeiende wolfraamdraad in een gloeilamp, bij temperaturen van meer dan 2000 kelvin. Latere methoden met elektrische ontladingen of UV-straling van kwik maakten verder onderzoek mogelijk, maar waren te extreem om bruikbaar te zijn voor organische synthese. Daardoor bleef het praktisch toepassen van atomair waterstof decennialang buiten bereik.

Licht als sleutel

De onderzoekers kozen voor een mildere route. Ze mengen hydrazine, een stikstofverbinding die ook als raketbrandstof dient, met een derivaat van thiofenol en belichten het mengsel. Het licht levert de energie voor een elektronenoverdracht tussen beide moleculen. Daarbij ontstaat kortstondig een tussenproduct dat lijkt op een Rydbergtoestand, normaal vooral bekend uit de kwantumtechnologie. Dit tussenproduct bestaat slechts 13 picoseconden, 13 biljoenste van een seconde, voordat het uiteenvalt en een waterstofradicaal vrijgeeft. Nils J. Flodén, eerste auteur van de publicatie in het Journal of the American Chemical Society, noemt de combinatie van eenvoud en reactiviteit van het waterstofatoom de kern van de uitdaging: pas door de juiste omstandigheden te vinden, konden de onderzoekers die reactiviteit gericht inzetten.

Wat het oplevert

Met het vrijgekomen waterstofradicaal kunnen de chemici uiteenlopende organische moleculen reduceren, waaronder complexe alkenen en halogeenverbindingen. Dat lukt onder milde omstandigheden en zonder katalysator van een metaal, wat de methode aantrekkelijk maakt voor duurzamere synthese. Peter H. Seeberger, directeur bij het Max Planck Instituut, noemt het een nieuw gereedschap voor synthetische chemici: de ontdekking van een nieuw chemisch tussenproduct opent volgens hem extra mogelijkheden in de organische chemie. De onderzoekers zien de huidige toepassing vooral als startpunt. Ze verwachten dat de ongewone reactiviteit van het waterstofradicaal ook relevant kan worden in andere delen van de organische chemie en op termijn mogelijk zelfs in de biologische wetenschappen.