Met de toekenning van de Nobelprijs aan het bejaarde drietal valt weer eens ‘echte’ synthetische chemie in de prijzen. De afgelopen jaren leek de scheikunde op het toneel van ’s werelds belangrijkste wetenschapsprijzen vooral dienstbaar aan de biowetenschap, met prijzen voor structuuronderzoek aan het ribosoom (2009) of de ontdekking en toepasing van het Green Fluorescent Protein (2008).
Het belang van het nu bekroonde onderzoek ligt, zo meldt het Nobelprijscomité, in ‘de ontwikkeling van nieuwe, meer efficiënte manieren om koolstofatomen aan elkaar te koppelen en zo de complexe moleculen te bouwen die ons alledaagse leven verbeteren’.
Chemische kunst
Het Nobelprijscomité noemt het werk van de prijswinnende chemici ‘kunst in de reageerbuis’. De organische chemie heeft zich ontwikkeld ‘tot een kunstvorm waarin wetenschappers in hun reageerbuizen geweldige chemische creaties produceren’, aldus een begeleidend persbericht. De mensheid profiteert van die chemische verrichtingen, onder andere in de vorm van medicijnen, steeds minusculer elektronica en geavanceerde technologische materialen. De nieuwste Nobelprijs eert ‘een van de meest geavanceerde gereedschappen die chemici vandaag de dag tot hun beschikking hebben’.
De palladium gekatalyseerde koppelingsreactie leidde tot een enorme verruiming van de mogelijkheden om complexe koolstofgebaseerde moleculen te maken. De koolstofgebaseerde (organische) chemie staat aan de basis van het leven op aarde en ligt ten grondslag aan allerlei fascinerende natuurlijke fenomenen: de kleuren van bloemen, het gif van slangen en bacteriedodende stoffen zoals penicilline.
In hun laboratoria bouwen organisch chemici voort op deze ‘natuurlijke chemie’ waarin koolstofatomen een centrale rol spelen. Ze maken er stabiele moleculen mee en weten die op allerlei manieren van speciale functies te voorzien. De afgelopen eeuw leidde dat tot nieuwe medicijnen en tot materialen met bijzondere eigenschappen, zoals nieuwe soorten kunststoffen.
Bouwstenen
In de gereedschapskist van de organisch chemici zitten allerlei moleculaire bouwstenen en gereedschappen om die met elkaar te verbinden. Soms is zo’n verbinding makkelijk te leggen, bijvoorbeeld als de moleculen reactieve zijgroepen hebben. Maar het aan elkaar koppelen van koolstofketens was altijd een lastige klus. Dat gaat niet vanzelf. Koolstof is van zichzelf relatief stabiel en koolstofatomen reageren niet gemakkelijk met elkaar.
De eerste scheikundige methoden om toch zulke koppelingen voor elkaar te krijgen waren gebaseerd op manieren om bepaalde koolstofatomen van de bouwstenen reactiever te maken. Bij relatief eenvoudige moleculen liep dat inderdaad van een leien dakje, maar bij grotere, complexe moleculen bleek het veel lastiger. De reactiekolven van de chemici raakten vol met allerlei ongewenste bijproducten.
Met het gebruik van palladium als hulpmiddel (katalysator) bleek deze impasse te doorbreken en kon de organische chemie een ferme stap vooruit doen. De reactiemethoden die Heck, Negishi en Suzuki onafhankelijk van elkaar ontwikkelden maakten het mogelijk veel nauwkeuriger en efficiënter koolstofketens aan elkaar te koppelen dan voorheen.
In alle drie methoden vervullen palladiumatomen de cruciale, faciliterende rol. Ze dienen als ‘ontmoetingsplaats’ voor de koolstofatomen van verschillende moleculen en ‘verleiden’ deze om met elkaar te reageren. Dankzij palladium zijn er veel minder ongewenste bijproducten en kan de reactie onder relatief milde omstandigheden plaatsvinden.