Eenpotreactie: één vat in plaats van een hele reeks proefbuizen
Stel je een kok voor die een stoofpot maakt. In plaats van elk ingrediënt apart te bakken, af te koelen, over te scheppen in een schone pan en dan pas samen te voegen, gooit hij vlees, groenten en kruiden gewoon na elkaar in dezelfde pan. Alles gaart samen, in één beweging, zonder tussentijds afwassen. Dat is in essentie wat scheikundigen een eenpotreactie noemen: een chemische synthese waarbij meerdere reactiestappen na elkaar of tegelijk in hetzelfde reactievat plaatsvinden, zonder dat de tussenproducten eerst apart gezuiverd en geïsoleerd worden.
Normaal gesproken kost het maken van een nieuwe stof vaak meerdere losse stappen: reageren, filtreren, wassen, extraheren, drogen, opnieuw reageren. Elke stap kost tijd, oplosmiddel en materiaal, en bij elke overgang gaat er wat product verloren. Bij een eenpotreactie proberen chemici zoveel mogelijk van die tussenstappen te schrappen door de juiste stoffen in de juiste volgorde, op het juiste moment, aan hetzelfde vat toe te voegen. Deze aanpak duikt steeds vaker op in nieuws over batterijmaterialen, zonnecelmaterialen en medicijnen, omdat ze productie sneller, goedkoper en schoner kan maken.
Wat is het precies?
Een gewone, meerstaps synthese verloopt meestal zo: stof A reageert met stof B tot tussenproduct C. Dat tussenproduct wordt vervolgens geïsoleerd (bijvoorbeeld door filtratie of chromatografie, een scheidingstechniek) en gezuiverd, voordat het met stof D verder reageert tot het uiteindelijke product E. Elke isolatiestap is nodig om te voorkomen dat restjes van de vorige reactie de volgende stap verstoren.
Bij een eenpotreactie slaat men die tussentijdse isolatie over. Er zijn grofweg twee varianten. Bij de eerste, vaak "telescoping" genoemd, worden de stappen nog steeds na elkaar uitgevoerd, maar blijft alles in hetzelfde vat: zodra stap één klaar is, wordt de volgende stof direct toegevoegd. Bij de tweede variant, de multicomponentreactie, worden meerdere uitgangsstoffen meteen samen in het vat gebracht en bepaalt hun onderlinge reactiesnelheid zelf in welke volgorde de bindingen ontstaan.
Dit vraagt wel iets: alle stappen moeten chemisch met elkaar te verenigen zijn. Het oplosmiddel, de temperatuur, de zuurgraad en eventuele katalysatoren (stoffen die een reactie versnellen zonder zelf te verbruiken) moeten voor elke stap geschikt zijn, of er moet tussentijds slechts minimaal worden bijgestuurd. Ook bij het maken van nanomaterialen, zoals piepkleine kristallen voor beeldschermen of zonnecellen, wordt vaak eenpots gewerkt: alle bouwstenen worden in één keer verhit in een oplosmiddel, waarna de gewenste nanodeeltjes er direct uit neerslaan.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is efficiëntie. Elke isolatie- en zuiveringsstap kost oplosmiddel, energie en tijd, en elke overgang tussen stappen gaat gepaard met productverlies. Door tussenstappen te schrappen, blijft er vaak meer bruikbaar eindproduct over, en dat tegen lagere kosten.
Daarnaast speelt duurzaamheid een grote rol. Binnen de zogeheten groene chemie, een stroming die sinds eind jaren negentig streeft naar minder schadelijke en zuinigere chemische processen, geldt afvalreductie als kernprincipe. Chemicus Roger Sheldon introduceerde het begrip E-factor: het aantal kilo's afval per kilo bruikbaar product. Een eenpotreactie heeft doorgaans een lagere E-factor, simpelweg omdat er minder oplosmiddel wordt gebruikt om tussenproducten te wassen en te zuiveren.
Voor de industrie is er nog een derde reden: snelheid van opschaling. Wie een nieuw batterijmateriaal, een nieuw medicijn of een nieuw type zonnecelmateriaal wil produceren, wil dat het liefst snel van laboratoriumschaal naar fabrieksschaal kunnen brengen. Minder afzonderlijke stappen betekent minder apparatuur, minder foutgevoelige overdrachtsmomenten en dus vaak een kortere weg naar productie op grotere schaal.
Voorbeelden uit de praktijk
Het idee is niet nieuw. Al in 1850 beschreef de Duitse chemicus Adolph Strecker een reactie waarbij een aldehyde, ammoniak en waterstofcyanide in één vat samen reageren tot een aminozuur, een van de vroegste bekende multicomponentreacties. In 1891 volgde de Biginelli-reactie, vernoemd naar de Italiaanse chemicus Pietro Biginelli, waarbij drie uitgangsstoffen in één stap reageren tot zogeheten dihydropyrimidinonen, bouwstenen die later terugkwamen in bepaalde bloeddrukverlagende medicijnen.
Een modernere klassieker is de Ugi-reactie uit 1959, vernoemd naar scheikundige Ivar Ugi, waarbij vier verschillende stoffen tegelijk in één vat tot een complex molecuul samensmelten. Deze reactie wordt tot op de dag van vandaag veel gebruikt in de farmaceutische industrie om snel grote aantallen verwante molecuulvarianten te maken en te testen op geneeskrachtige werking.
In de materiaalkunde wordt eenpotsynthese gebruikt om nanokristallen te maken voor beeldschermen en zonnecellen. Onderzoeksgroepen, waaronder die van Maksym Kovalenko aan de ETH Zürich, publiceerden vanaf ongeveer 2015 spraakmakend werk over de eenpotssynthese van perovskiet-nanokristallen (zoals CsPbBr3), lichtgevende deeltjes die nu onderzocht worden voor gebruik in led-verlichting en beeldschermtechniek.
Ook in de batterij-industrie is de techniek gangbaar: kathodemateriaal zoals lithium-ijzerfosfaat (LiFePO4) wordt in onderzoek en productie vaak via een zogeheten hydrothermale eenpotsynthese gemaakt, waarbij de benodigde ionen in één stap onder hoge druk en temperatuur in water tot het gewenste kristal reageren. En tijdens de coronapandemie zochten procesch chemici bij onder meer Pfizer naar manieren om de synthese van het covidmedicijn nirmatrelvir (onderdeel van Paxlovid) te versnellen door stappen samen te voegen en tussentijdse zuivering te beperken; de exacte mate waarin dit uiteindelijk "eenpots" verliep, verschilde per route en werd voortdurend bijgesteld naarmate het proces werd geoptimaliseerd.
Hoe ver is de techniek?
Eenpotreacties zijn geen toekomstbelofte maar een gevestigde, decennia oude techniek die dagelijks in laboratoria en fabrieken wordt toegepast. Wat wél volop in ontwikkeling is, is de reikwijdte: chemici proberen steeds complexere moleculen en materialen op deze manier te maken, iets wat lang niet altijd lukt.
Het grootste obstakel is selectiviteit. Hoe meer stoffen tegelijk in hetzelfde vat zitten, hoe groter de kans dat ze ook ongewenste bijreacties met elkaar aangaan. Bij eenvoudige moleculen is dat goed te overzien, maar bij de totaalsynthese van complexe natuurstoffen, bijvoorbeeld sommige antikankermoleculen met tientallen atomen in een specifieke driedimensionale opstelling, is stapsgewijze zuivering vaak nog altijd nodig om zuiverheid te garanderen.
Een actuele ontwikkeling is de combinatie van eenpotreacties met doorstroomchemie (flow chemistry), waarbij reactanten niet in een stilstaand vat maar door een continue stroom van buizen worden geleid. Dat maakt processen beter beheersbaar en makkelijker op te schalen. Ook wordt er steeds meer gebruikgemaakt van geautomatiseerde systemen en rekenmodellen die vooraf voorspellen welke combinaties van stoffen en omstandigheden een eenpotroute kansrijk maken, wat het zoekwerk voor chemici verkleint. Voor nanomaterialen zoals batterijmaterialen en quantumdots blijft de belangrijkste hobbel de reproduceerbaarheid: een recept dat in een laboratoriumkolfje van honderd milliliter perfect werkt, gedraagt zich in een fabrieksreactor van duizenden liters niet automatisch hetzelfde.
Wie werken eraan?
Onderzoek naar eenpotreacties en verwante multicomponentreacties gebeurt wereldwijd aan vrijwel elke universitaire scheikundeafdeling met een sterke synthetische chemiegroep, van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) tot de ETH Zürich. In Nederland doen onder meer de Radboud Universiteit Nijmegen en de Technische Universiteit Eindhoven onderzoek naar (groene) synthesemethoden en doorstroomchemie waar eenpotsprincipes een rol in spelen.
Op de industriële kant zijn het vooral de procesch chemie-afdelingen van farmaceutische bedrijven als Pfizer, Merck en Novartis die eenpots- en getelescopeerde routes ontwikkelen om medicijnen sneller en goedkoper te kunnen produceren. Chemieconcerns als BASF en materiaalbedrijven die actief zijn in batterijgrondstoffen, zoals Umicore, passen vergelijkbare eenpots- en solvothermale processen toe voor de productie van elektrodemateriaal. Organisaties als de International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) en de Amerikaanse Chemical Society (ACS), met haar Green Chemistry Institute, bevorderen bovendien de bredere toepassing van afvalarme synthesemethoden zoals de eenpotreactie binnen de chemische industrie als geheel.