Gaten in de chemie gesloten

V.L.n.R. Mevrouw Dr. Elisabeth Irran (Röntgenstructuuranalyse), Dr. Robert Müller (Vakgebied Theoretische Chemie - Quantenchemie), Dr. Qian Wu, Prof. Dr. Martin Kaupp, Dr. Hendrik F. T. Klare, Prof. Dr. Martin Oestreich. (© TU Berlin/PR/Dominic Simon)

Volgens sommige inzichten zoekt men eindeloos en wanneer ze dan gevonden zijn, lijkt alles heel eenvoudig. Zo ging het ook de werkgroep rond Dr. Martin Oestreich, hoogleraar Organische Chemie – Synthese en Katalyse aan de TU Berlijn, en zijn medewerkers Dr. Hendrik Klare en Dr. Qian Wu. Hun onderzoeksproject „De karakterisering van waterstofsubstituierte Silyliumionen in gekondenseerde fase“ werd nu gepubliceerd in het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift Science. Bij deze Silyliumionen gaat het om moeilijk te vangen stoffen die eerder, indien überhaupt, alleen in de gasfase konden worden aangetoond. „We zijn vooral blij dat de publicatie een puur TU Berlijn-publicatie is“, aldus Martin Oestreich. „De daadwerkelijke laboratoriumwerkzaamheden zijn uitgevoerd door de Humboldt-beurswinnares Dr. Qian Wu uit mijn werkgroep.“ In het vakgebied van Dr. Martin Kaupp, hoogleraar Theoretische Chemie – Quantenchemie, is de theorie hierover berekend en Dr. Elisabeth Irran, hoofd van het Centrum voor Kristalstructuurbepaling aan de TU Berlijn, heeft de molecuulstructuren gemeten.‟

Al meer dan 100 jaar weet men dat er zogenaamde carbokationen bestaan. Dit zijn zeer reactieve, kationische (positief geladen) tussenproducten uit de koolstofchemie. Na hun ontdekking duurde het echter decennia voordat men deze kon produceren en ook karakteriseren, omdat hun zeer reactieve aard dat steeds weer verhinderde. George Olah werd in 1994 geëerd met de Nobelprijs voor de karakterisering van deze carbokationen.

In het periodiek systeem van de elementen bevindt zich in de zesde hoofdgroep onder koolstof het silicium – net als koolstof een economisch en wetenschappelijk uiterst belangrijk element. Curieus is dat men tot enkele jaren geleden de corresponderende kationen van silicium nog niet kende. Men kon hun bestaan theoretisch voorspellen en ze ook in de gasfase vasthouden, maar in het laboratorium konden ze niet gestabiliseerd of zelfs geïsoleerd worden, omdat het eveneens uiterst reactieve moleculen zijn.

Ongeveer 25 jaar geleden is het voor het eerst gelukt om zogenaamde tertiaire Silyliumionen – dus een siliciumkation met drie koolstofsubstituenten – aan te tonen. Dr. Qian Wu is het nu gelukt om alle drie de andere afgeleiden in oplossing en in vaste vorm te produceren. Dus Silyliumionen die ofwel twee of één koolstofsubstituenten of zelfs alleen waterstofatomen dragen. „Hiermee heeft zij voor silicium dezelfde stap gezet als George Olah decennia geleden voor de carbokationen, en daarmee een grote leemte in de hoofdgroepchemie en de chemie in het algemeen gedicht“, beschrijft Martin Oestreich de betekenis van het werk.

Mag deze ontdekking voor de leek misschien wat abstract klinken, voor de chemici gaat het hier om fundamentele vragen uit de chemie: „De reactiviteit van deze tussenproducten is zo hoog dat ze reageren met elk stof in de omgeving. Hun isolatie is daarom allesbehalve vanzelfsprekend“, legt Hendrik Klare uit. Daarom gaat het de wetenschappers hier eerst en vooral minder om de toepassing. Er is simpelweg kennis uit de leerboeken gegenereerd. „Toepassingen stonden niet centraal in ons werk, maar het is natuurlijk voor het eerst mogelijk om deze nieuwe moleculen systematisch te onderzoeken. Dit is een belangrijke stap richting toepassing, vooral in de homogene katalyse“, aldus Hendrik Klare. „Een denkbare optie: zeer reactieve stoffen activeren, bijvoorbeeld fluorchlorkoolwaterstoffen (FCKW’s). Het is heel goed mogelijk dat men met deze Silyliumionen het fluoride in deze tot nu toe zeer moeilijk afbreekbare stoffen kan uitwisselen tegen waterstof“, aldus Martin Oestreich.