Onderzoek uitgelicht: chemicus Jarl Ivar van der Vlugt
Als het aan chemicus Jarl Ivar van der Vlugt ligt, ziet het vakgebied van de katalyse er in de nabije toekomst heel anders uit: schoner, goedkoper, slimmer en doeltreffender. Zijn inspiratie haalt hij uit de natuur.
Jarl Ivar van der Vlugt (36) houdt van knutselen met moleculen. Zijn moeder had liever gezien dat hij medicijnen ging studeren, maar vanaf het eerste moment dat hij met chemie in aanraking kwam, was hij verkocht. 'Ik had een heel aanstekelijke leraar', zegt Van der Vlugt. 'Hij wist me echt te boeien. Op de middelbare school leer je weliswaar alleen de basis van het vak - het leukste moet nog komen - maar toch zwengelde hij mijn interesse enorm aan. Daarbij was hij een begenadigd spreker, want naast scheikundeleraar was hij ook dominee.'
Na een studie chemische technologie in Eindhoven legde Van der Vlugt zich toe op katalyse, het vliegwiel van de chemie. Een katalysator is een stof die een bepaalde chemische reactie mogelijk maakt of ingrijpt in de snelheid van die chemische reactie, zonder daar zelf aan deel te nemen. Iedereen kent het voorbeeld van een auto: een katalysator zorgt ervoor dat schadelijke stoffen in de uitlaat worden omgezet in onder andere water en kooldioxide. Ook levende wezens maken gebruik van katalyse, bijvoorbeeld bij de spijsvertering: enzymen hechten zich tijdelijk aan delen van voedselmoleculen en breken die af van het grotere geheel. Zo worden voedingsstoffen opgedeeld in kleine stukjes en verwerkt. Deze en andere processen zouden veel langer duren zonder tussenkomst van een katalysator.
Van der Vlugt: 'Katalyse staat gelijk aan efficiëntie. Het bespoedigt bepaalde reacties en zorgt ervoor dat je stof A heel selectief kunt omzetten in de gewenste stof B, en niet in stof B+C+D, etc. Daarnaast kun je met katalyse chiraliteit – asymmetrie – inbrengen in een molecuul.' Ter verduidelijking legt Van der Vlugt zijn handen op elkaar: 'Mijn linkerhand past exact op mijn rechterhand. Ze zijn spiegelbeelden van elkaar. Zo bestaan er ook spiegelbeeldmoleculen, die we enantiomeren noemen. Als je alleen "linkermoleculen" wil maken, heb je dus een katalysator nodig die heel selectief asymmetrie induceert in je product, zodat je niet 75 procent "linker"- en 25 procent "rechtermoleculen" krijgt. Het is namelijk heel moeilijk om die van elkaar te scheiden; ze lijken te veel op elkaar. Met behulp van katalyse kunnen we mengsels met nutteloze bijproducten voorkomen, want waste is inefficiënt en kost dus geld.'
'Toch kunnen we nog een flinke slag maken door de katalyse zelf nóg efficiënter te maken', vervolgt Van der Vlugt. 'De natuur is in staat om trucs uit te halen met goedkope metalen die in overvloed aanwezig zijn, zoals ijzer, nikkel, kobalt en koper. Wij kunnen dat maar in zeer beperkte mate. Voor katalyse gebruiken we in de chemie vooral schaarse edelmetalen als rhodium, palladium en platina. Die zijn duur en bovendien eindig. Ik wil de switch maken van dure naar goedkope metalen.'
Samen sterk
Naast de omschakeling van dure naar goedkope metalen die ruim voorhanden zijn, kijkt Van der Vlugt nog een andere truc af van de natuur: 'Een katalysator is in ons vakgebied typisch opgebouwd uit een metaalcentrum, bijvoorbeeld een rhodium- of ijzeratoom. Daaromheen zit een organische schil van moleculen of ionen – liganden genaamd – die zich binden aan het metaalcentrum. Die liganden zitten er alleen om het metaalcentrum stabiel te houden; verder doen ze niet mee in de reactie. Het metaal doet al het werk om stof A om te zetten in stof B.
Daarentegen heeft de natuur in veel gevallen slimmigheden gevonden om die schil daadwerkelijk mee te laten doen in de reactie. Dit "samen sterk-principe" wil ik ook in het lab toepassen. In mijn onderzoek probeer ik die goedkope, bio-geïnspireerde metalen te voorzien van slimme hulpstoffen, zodat het metaal en de ligand samenwerken.'
Hoewel Van der Vlugt zijn inspiratie uit de natuur haalt, is het type reacties dat hij voor ogen heeft a-biologisch: ze komen in de natuur niet voor. 'Mijn drie doelsubstraten voor dit onderzoek zijn water, koolstofdioxide en ammoniak. Die laatste stof wil ik graag omzetten in amines, die op hun beurt weer veel gebruikt worden in de industrie. Amines zijn componenten van polymeren, wasmiddelen en agrochemicaliën, om er maar een paar te noemen.
Tot op heden is het heel moeilijk gebleken om ammoniak door middel van katalyse om te zetten in amines, maar ik denk dat de combinatie van goedkope metalen en een slimme schil een betere kans biedt om moeilijke substraten te activeren en functionaliseren. Er zijn al onderzoekers die dit "samen sterk-principe" uitbuiten met dure metalen, zoals katalyse met rhodium en ruthenium, maar als het lukt om dit concept met goedkope metalen toe te passen, dan zou dat een heel nieuw veld openbreken. We maken dan niet alleen een grote stap in het terugdringen van de kosten, maar ook in het type substraten dat je kunt omzetten. Als dit lukt, kun je ook met andere moleculen aan de slag.'
De potentiële gevolgen van Van der Vlugts ideeën zijn niet onopgemerkt gebleven. Voor zijn onderzoek Smart Systems for Small Molecule Activation and Sustainable Homogeneous Catalysis ontving hij een startersbeurs voor onafhankelijke onderzoekers van anderhalf miljoen euro van de European Research Council, waarmee hij een handvol onderzoekers kan aanstellen.
Van der Vlugt: 'Dit type katalyse zou kunnen leiden tot een heel selectieve omzetting van substraten waar we nu nog niets mee kunnen – met minder energie, minder moeite en minder bijproducten zoals bijvoorbeeld koelwater. Het kan van grote waarde zijn voor de industrie, maar ook voor het milieu en de maatschappij in het algemeen. Katalyse is een hoeksteen van de chemie. Het is altijd al een vakgebied geweest waar mooie dingen werden gedaan en waar veel mensen mee bezig zijn, en gelukkig krijgt het de laatste tijd ook de erkenning die het verdient. De afgelopen tien jaar is vier keer een Nobelprijs uitgereikt aan mensen die met katalyse bezig zijn. Katalyse is hot!'