In allerlei chemische syntheses, van plastics tot geneesmiddelen, zit een stap waarbij een zuur in een alcohol wordt omgezet. De industrie heeft daarvoor verschillende processen ontwikkeld. Niet zelden leiden die tot een grote hoeveelheid afval en zijn speciale veiligheidsmaatregelen nodig.

Een alternatieve manier is om de zuren met waterstof te laten reageren. Dat vereist speciale katalysatoren, stoffen die de omzetting faciliteren maar zelf niet verbruikt worden. Tot nu toe lukte dat alleen met katalysatormaterialen in vaste vorm en alleen bij hele hoge temperatuur en druk. "Dat kost veel energie", zegt prof. dr. Bas de Bruin, één van de auteurs van het Science artikel.

Samen met collega's dr. Ties Korstanje, dr.ir. Jarl Ivar van der Vlugt en prof. dr. Kees Elsevier gooide De Bruin het over een andere boeg. De chemici ontwikkelden een katalysator die in het reactiemengsel oplost, een zogenoemde homogene katalysator. Daarmee kan de omzetting in principe onder veel mildere omstandigheden plaatsvinden, bij veel lagere temperatuur.

Het onderzoek maakte deel uit van het onderzoekszwaartepunt Sustainable Chemistry van de UvA. Het was onderdeel van het nationale onderzoeksprogramma CatchBio en vond plaats in nauwe samenwerking met chemiebedrijf DSM.

Op zoek naar een geschikte katalysator

Het ontwikkelen van een geschikte homogene katalysator was een behoorlijke uitdaging, aldus De Bruin. 'Het is alsof je een glas citroensap moet omzetten in een whiskey-on-the-rocks. Je kunt je misschien voorstellen dat zoiets chemisch gezien niet eenvoudig is.' 

Uit literatuuronderzoek bleek dat homogene katalysatoren met ruthenium of iridium het kunstje misschien konden klaren. Maar dat was voor de Amsterdammers geen optie. 'Dat zijn schaarse en dure metalen', zegt De Bruin. 'Daar heb je niets aan als je een betaalbaar proces wilt dat ook op de lange termijn levensvatbaar is.' 

Moleculaire jas

De katalysator die het team nu in Science presenteert maakt daarom gebruik van kobalt. Dat is een veel voorkomend en veelgebruikt metaal. Het is onder andere te vinden in magneten, slijtvaste materialen en (blauwe) kleurstoffen. De chemici maakten het kobalt op ingenieuze wijze geschikt voor de zuur-naar-alcoholomzetting. Ze gaven individuele kobaltatomen als het ware een moleculaire jas, waardoor de juiste katalytische werking ontstond.

Uit experimenten werd duidelijk welke soort jas en welke maat het beste resultaat opleverde. Uiteindelijk leverde het onderzoek een kobaltkatalysator op die in staat is een heel scala aan zuren (en ook esters, een andere klasse chemische verbindingen) in alcoholen om te zetten. Warmer dan honderd graden Celsius hoeft het reactiemengsel daarbij niet te worden, wat voor de chemische industrie gemakkelijk te realiseren is. Ook de benodigde waterstofdruk van 80 bar is niet bijzonder hoog. Daarbij bleek de katalysator ook nog eens bijzonder efficiënt. 'Zonder al te veel optimalisatie haalden we behoorlijke omzettingsgraden', aldus De Bruin. Hij ziet dan ook goede kansen voor industriële toepassing.

Groene synthese

Behalve voor de verduurzaming van bestaande zuur-alcoholomzettingen kan de nieuwe katalysator ook van betekenis zijn voor het ontwikkelen van nieuwe, 'groene' syntheseroutes. De Bruin denkt bijvoorbeeld aan de benutting van barnsteenzuur van natuurlijke oorsprong (bijvoorbeeld via de fermentatie van suikers). Met de nieuwe katalysator kunnen hieruit een aantal belangrijke producten gemaakt worden, zoals kunststoffen, kunstvezels en oplosmiddelen. Hiermee wordt het mogelijk om deze producten, die nu nog uit aardolie gemaakt worden, uit biomassa te produceren.

Publicatiegegevens

Ties J. Korstanje, Jarl Ivar van der Vlugt, Cornelis J. Elsevier, Bas de Bruin: Hydrogenation of carboxylic acids with a homogeneous cobalt catalyst Science, 16 October 2015. DOI: 10.1126/science.aaa8938