Nieuw protocol voor chemici maakt duurzamer onderzoek mogelijk

Een team van theoretisch chemici, onder leiding van Trevor A. Hamlin en Matthias Bickelhaupt van de Vrije Universiteit Amsterdam, heeft een stappenplan gepubliceerd voor de toepassing van het activeringsspanningsmodel. Het protocol dient als een “recept voor onderzoekers” waarmee zij de factoren achter elke denkbare chemische reactie kunnen analyseren en rationaliseren. Dit maakt onder meer ecologisch duurzamer onderzoek mogelijk.

21-01-2020 | 11:36

Met de beschikbaarheid van dit eenvoudig te gebruiken protocol, hopen de onderzoekers dat er een verschuiving zal plaatsvinden in de manier waarop nieuwe chemische reacties worden ontwikkeld. Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Protocols, het toonaangevende protocollen-tijdschrift van Nature Research Journal.

Wetenschappelijke impact
Chemici hebben met dit protocol de tools om chemische reacties op rationele wijze te ontwerpen, voordat zij de reactie uitvoeren in het laboratorium. Dit kan leiden tot een andere aanpak van chemisch onderzoek, namelijk gestroomlijnde syntheses, lagere kosten en een vermindering van chemisch afval en daardoor economisch en ecologisch duurzamer onderzoek.

Activeringsspanningsmodel
Het protocol is gebaseerd op het activeringsspanningsmodel (ASM) voor chemische reactiviteit. Deze krachtige methode geeft de gebruiker inzicht in de drijvende kracht achter een chemische reactie, waardoor niet alleen de gewenste reactie kan worden begrepen, maar ook nieuwe reacties kunnen worden ontworpen. In de loop der jaren is de ASM met succes toegepast op tal van anorganische, organische, biochemische en supramoleculaire reacties.

Spanningsenergie en interactie-energie
In het algemeen wordt de snelheid van een chemische reactie bepaald door de hoogte van de overgangstoestand, die de reactanten moeten overwinnen om in de producten te transformeren. Binnen het kader van het ASM is de reactiebarrière gerelateerd aan twee factoren, namelijk de spanningsenergie en interactie-energie (zie figuur). De spanningsenergie is de energie die nodig is om de reactanten tijdens de chemische reactie te vervormen van hun evenwichtsgeometrie naar de geometrie die ze hebben tijdens de reactie. De interactie-energie is de uiteindelijke chemische interactie tussen de twee vervormde reactanten.

Energie-decompositie-analyse
Om inzicht te krijgen in deze chemische interactie is het model uit te breiden met een bijbehorende energie-decompositie-analyse (EDA), waarin de interactie-energie tussen de reactanten wordt opgesplitst in de klassieke elektrostatische interactie, sterische (Pauli) repulsie en de stabiliserende orbitaal interactie.

Stappenplan, advies en voorbeelden
Naast een gedetailleerd stappenplan biedt dit protocol ook advies voor de te gebruiken computerinstellingen voor een aantal specifieke chemische problemen. Bovendien bevat dit werk twee fundamentele voorbeelden. In het eerste voorbeeld wordt de gebruiker stap voor stap door de procedure geleidt.  Het tweede voorbeeld is meer geavanceerd, waarbij de kennis van de gebruiker wordt getest. 


Activeringsspanningsdiagram
Activeringsspanningsdiagram waarbij twee generieke chemische reacties (rood en zwart) worden vergeleken en geanalyseerd. De overgangstoestanden worden aangegeven met een stip.