Je leest:

Foutje: een nieuwe familie kunststoffen

Foutje: een nieuwe familie kunststoffen

Auteur: | 1 oktober 2001

Onderzoekers bij Shell ontdekken ‘per ongeluk’ een nieuwe kunststof

Etheen, koolmonoxide en methanol zijn basisstoffen in de chemische industrie. Veel chemische producten worden hier op grote schaal mee gemaakt – denk bijvoorbeeld aan polyethyleen en azijnzuur. In april 1982 ontdekten wij bij Shell in Amsterdam (na veel vallen en opstaan) dat die drie stoffen met behulp van een katalysator aan elkaar konden worden gekoppeld, waardoor het molecuul methyl-propanoaat ontstond ( fig. 2).

Figuur 2.

De katalysator werkte snel en precies: methylpropanoaat, een mooie heldere kleurloze vloeistof, werd met een opbrengst van boven de 99% en in een mum van tijd gemaakt. Maar een onderzoeker is altijd nieuwsgierig naar het waarom. Waarom werkte deze katalysator zo goed? De katalysator bestond uit een mengsel van een palladiumzout en een organisch, driewaardig fosfor bevattend monofosfaan. Al proberend kwamen we op het idee een iets ander katalysator- mengsel te gebruiken. Bij het openen van het reactievat werd duidelijk dat het experiment niet het voorspelde resultaat had opgeleverd: geen heldere vloeistof maar een vaste stof. Etheen en koolmonoxide waren aaneen geregen tot lange moleculaire snoeren, polyketon ketens, waarin etheen en koolmonoxide elkaar perfect afwisselden (fig. 3).

Figuur 3. Het is mogelijk de twee monofosfaan (P) liganden aan elkaar te koppelen. Hierdoor ontstaat een zogenaamd difosfaan ligand. Doordat de twee fosfaangroepen nu gekoppeld zijn kunnen zij alleen nog maar naast elkaar (cis) liggen. De fosfaan liganden kunnen het ketengroeiproces dus niet meer onderbreken en er zal een lange keten ontstaan van afwisselend een CO- en een etheengroep. Dit ketengroeiproces laat zich goed vergelijken met een moleculaire rits, waarbij het palladiumdeeltje functioneert als de loper.

Unieke eigenschappen

In de oorspronkelijke katalysator zat palladium door twee atoomgroepen omgeven, terwijl we in de nieuwe katalysator één groep hadden gebruikt, waarin de twee atoomgroepen met elkaar waren verbonden. Dat bleek tot een totaal andere ruimtelijke structuur rond het palladiumion te leiden. De reactie tussen etheen en koolmonoxide verliep als een moleculaire rits, waarbij het palladiumdeeltje als loper fungeerde.

Figuur 4. Bron: Philips Concernarchief, Eindhoven.

Het experiment dat in eerste instantie een mislukking leek, bleek een nieuwe categorie katalysatoren en een nieuwe categorie kunststoffen voortgebracht te hebben. De nieuwe kunststoffen, polyketonen, hebben unieke eigenschappen: een hoge impact-sterkte, een grote slijtvastheid en resistentie tegen allerlei chemische stoffen. Als gevolg daarvan kunnen polyketonen in allerlei consumentenartikelen toegepast worden, vooral in elektronische producten en auto’s.

Figuur 5. Het palladium kan aan vier hoeken in een plat vlak een groep (ligand) binden. De twee monofosfaan (P) liganden kunnen ofwel naast elkaar (cis) ofwel tegenover elkaar (trans) liggen. Verlenging van de polyketon keten kan alleen plaatsvinden wanneer de mono-fosfaan liganden zich in de cis-positie bevinden. Na de eerste koppeling van een CO- en een etheen-ligand kunnen de mono-fosfaan liganden echter weer overgaan van de cis- naar de trans-vorm. Verdere verlenging van de keten is nu niet mogelijk en het COC2H5-ligand reageert effectief met methanol tot methylpropanoaat. Het cis- naar trans-isomerisatieproces functioneert feitelijk als een ruitenwisser, die snel de organische groep van het palladiumcentrum veegt, voordat verdere opbouw door ketengroei kan plaatsvinden.

Zie ook:

Literatuur:

  • E. Drent, J.A.M. van Broekhoven, M.J. Doyle, Efficient palladium catalysts for the copolymerization of carbon monoxide with olefin to produce perfectly alternating polyketones, Journal Organometallic Chemistry 417 (1991), p. 235.
  • E. Drent, P.H.M. Budzelaar, Palladium catalyzed alternating copolymerization of alkenes and carbon monoxide, Chemical Reviews 96 (1996), p. 663.
  • A. Gray, Performance polymers, Chemistry in Britain (maart 1998), p. 44.
Dijken
KNAW

Dit artikel is afkomstig uit het boek Chemie achter de dijken, een gezamenlijke uitgave van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen (KNAW) en de Koninklijke Nederlandse Chemische Vereniging (KNCV). Het werd in 2001 uitgegeven ter herdenking van het feit dat de Nederlander Jacobus Henricus Van ‘t Hoff honderd jaar eerder in 1901 de allereerste Nobelprijs voor de scheikunde won. Chemie achter de dijken belicht Nederlandse uitvindingen en ontdekkingen op chemisch gebied sinds 1901. In zo’n zeventig bijdragen (voor het overgrote deel opgenomen in Kennislink) wordt de betekenis van de Nederlandse chemie duidelijk voor ontwikkelingen op het gebied van de gezondheidszorg (bijvoorbeeld de kunstnier), de voedingsmiddelenindustrie (onder andere zoetstoffen), de kledingindustrie (bijvoorbeeld ademende regenkleding) of de elektronica (zoals herschrijfbare CD’s).

Dit artikel is een publicatie van KNAW/KNCV.
© KNAW/KNCV, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 oktober 2001

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.