Over het algemeen doe je hydrogeneringsreacties, waarbij je geactiveerd waterstof laat reageren met een ander molecuul, met katalysatoren gebaseerd op (dure) overgangsmetalen. In hun zoektocht naar alternatieven, kwamen Eveline Tiekink, Siebe Lekanne Deprez, Pascal Vermeeren en Trevor Hamlin van de TheoCheM-groep aan de Vrije Universiteit Amsterdam uit bij groep 14-elementen.

In 2021 had het team deze zogeheten metallylenen al eens onder de loep genomen toen bleek dat ze waterstof en andere kleine moleculen konden activeren. Tiekink en collega’s hebben nu uitgezocht of je met rational design metallyleenkatalysatoren kunt ontwikkelen die hydrogeneringsreacties kunnen doen. En dat kan.

Met computationele chemie brachten ze de reactiviteit en bindingssterkte in kaart van het modelmetallyleen H₃C-EH₂-L – waarbij E staat voor C, Si, Ge of Sn en L voor het ligand NMe₂ of PMe₂ – in de hydrogeneringsreacties met C≡C, C=C, C=N en C=O.

Uit de berekeningen volgde dat de reactiebarrière lager wordt en er meer energie vrijkomt wanneer je omlaaggaat in het periodiek systeem (dus van C naar Sn). Varieer je in het ligand, dan geldt het tegenovergestelde: van NMe₂ naar PMe₂ wordt de reactiebarrière hóger en komt er minder energie vrij. Deze twee trends zijn dan weer precies omgedraaid als je kijkt naar de waterstofactivering.

Samen met de andere analyses uit de paper, levert dit de basis voor een ideale katalysator voor een bepaald substraat. Voor de hierboven genoemde bindingen was dat ofwel H₃C-Ge-PMe₂ of H₃C-Sn-PMe₂. PMe₂ verlaagt namelijk de reactiebarrière voor de waterstofactivatie en een groot groep-14-atoom doet hetzelfde voor de hydrogeneringsstap. Het praktische advies van de auteurs voor wie een metallyleen wil gebruiken voor hydrogenering: neem een groot centraal atoom zoals tin of germanium en optimaliseer een fosforligand voor de waterstofactivatie.

Tiekink, E.H. et al. (2024) EurJOC 27(14), DOI: 10.1002/ejoc.202400069