Josep Cornella doorbreekt grenzen om nieuwe en betere katalysatoren te maken

Josep Cornella handelt niet in absolute waarden. Terwijl chemici doorgaans strakke lijnen trekken tussen organische en anorganische chemie, gelooft Cornella, een onderzoeker aan het Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr, Duitsland, in precies het tegenovergestelde.

“Je moet openstaan ​​om grenzen te overschrijden”, zegt hij, “en ervan leren.” De randen zijn “waar de rijke nieuwe dingen zijn.”

Cornella is een organische chemicus volgens industrienormen; hij synthetiseert moleculen die koolstof bevatten. Maar hij heeft een team samengesteld met een breed scala aan achtergronden: anorganische chemici, fysisch-organische chemici, computationele chemici. Samen brainstormt het team over nieuwe benaderingen voor het ontwerpen van nieuwe katalysatoren, zodat chemische reacties die essentieel zijn voor geneesmiddelen en landbouw efficiënter en milieuvriendelijker kunnen worden gemaakt. Onderweg heeft Cornella mysteries ontgrendeld waar chemici jarenlang van schrikken.

“Hij heeft ons verteld over katalysatoren… die we eerder niet hadden, en die slechts een droom waren”, zegt Hosea Nelson, een chemicus bij Caltech die niet met Cornella heeft gewerkt.

Gedurfd idee

Toen Cornella een spreker op een conferentie in 2014 hoorde zeggen dat bismut niet giftig was, was hij er zeker van dat het een vergissing was. Bismut is een zwaar metaal dat tussen het giftige lood en polonium in het periodiek systeem zit. Maar het is inderdaad relatief niet-toxisch – het wordt zelfs gebruikt in het vrij verkrijgbare misselijkheidsmedicijn Pepto-Bismol.

Toch blijft bismut slecht begrepen. Dat is een van de redenen waarom het hem aantrok. “Het was een nogal vergeten element van het periodiek systeem”, zegt Cornella. Maar “het is er met een reden.”

Cornella begon zich af te vragen of een element als bismut kon worden getraind om als katalysator te worden gebruikt. De afgelopen eeuw hebben wetenschappers overgangsmetalen, zoals palladium en ijzer, gebruikt als de belangrijkste katalysatoren bij industriële synthese. “Kunnen we eigenlijk trainen? [bismuth] om te doen wat deze jongens zo goed doen?” hij vroeg. Het was een conceptuele vraag die “volkomen naïef was, of misschien dom.”

Verre van dom: zijn team gebruikte met succes bismut als katalysator om een ​​koolstof-fluorbinding te maken. En bismut bootste niet alleen de rol van een overgangsmetaal na – het werkte beter. Er was slechts een kleine hoeveelheid bismut nodig, veel minder dan de hoeveelheid overgangsmetaal die nodig was om dezelfde taak uit te voeren.

“Veel mensen, waaronder ikzelf en anderen [researchers] over de hele wereld, hebben veel tijd besteed aan het nadenken over hoe bismutreacties katalytisch kunnen worden gemaakt”, zegt Nelson. “Hij is de man die die noot heeft gekraakt.”

Opvallend onderzoek

Hoewel het bismutonderzoek ‘raar’ en ‘spannend’ is, zegt Cornella, blijft het een proof of concept. Bismut, hoewel goedkoop, is niet zo overvloedig als hij had gehoopt, dus het is geen erg duurzame optie voor de industrie.

Maar andere bevindingen van het Cornella-team worden al in de echte wereld gebruikt. In 2019 bedacht de groep hoe ze een alternatief voor Ni(COD) konden maken₂, een kieskeurige katalysator die vaak door chemici in het laboratorium wordt gebruikt. Als het niet bij vriestemperaturen wordt bewaard en niet wordt beschermd tegen zuurstof door een laag inerte gassen, valt het nikkelcomplex uit elkaar.

Het alternatieve complex, ontwikkeld door Lukas Nattmann, een Ph.D. student in Cornella’s lab destijds, blijft stabiel in zuurstof bij kamertemperatuur. Het is een gamechanger: het bespaart energie en materialen, en het is universeel. “Je kunt in principe al die reacties nemen die gedurende 60 jaar Ni(COD) ontwikkeld zijn₂ en vervang ze eigenlijk allemaal door onze katalysator, en het werkt prima”, zegt Cornella.

Het lab van Cornella ontwikkelt ook nieuwe reagentia, stoffen die het ene materiaal in het andere omzetten. De onderzoekers willen atomen in functionele groepen – specifieke groeperingen van atomen die zich op specifieke manieren gedragen, ongeacht de moleculen waarin ze worden aangetroffen – in één stap in andere atomen transformeren. Door deze reacties in één stap uit te voeren, kan de voorbereidingstijd worden teruggebracht van twee weken naar een dag, wat erg handig zou zijn in de farmaceutische industrie

Risico’s nemen

Het is het succes dat aandacht krijgt, maar mislukking is ‘onze dagelijkse basis’, zegt Cornella. “Het is veel mislukken.” Als student, toen hij een reactie niet aan het werk kon krijgen, had hij een eenvoudige reactie opgezet, een TBS-bescherming genaamd – het soort reactie dat onmogelijk verkeerd kan worden gedaan – om zichzelf eraan te herinneren dat hij niet ‘volledig nutteloos’ was. ”

Tegenwoordig runt hij een laboratorium dat voorstander is van het nemen van risico’s. Hij moedigt studenten aan om van elkaar te leren over gebieden waar ze niets van af weten. Een puur organische chemicus kan bijvoorbeeld het laboratorium van Cornella binnenkomen en vertrekken met een goed begrip van de organometaalchemie na lange dagen te hebben gewerkt met een collega die een expert is op dat gebied.

Dit delen van kennis is voor Cornella cruciaal. “Als je een probleem vanuit slechts één uniek perspectief aanpakt”, zegt hij, “misschien mis je dingen.”

Hoewel Cornella misschien niet van absolute waarden houdt, ziet Phil Baran, die Cornella adviseerde tijdens zijn postdoctoraal werk bij Scripps Research in San Diego, dat Cornella in een van twee verschillende categorieën past: “Er zijn scheikundigen die scheikunde doen om te eten, alsof het een functie. En er zijn scheikundigen die eten om scheikunde te doen’, zegt Baran. Cornella past in de laatste groep. ‘Het is zijn zuurstof.’

Wil je iemand nomineren voor de volgende SN 10 lijst? Stuur hun naam, affiliatie en een paar zinnen over hen en hun werk naar sn10@sciencenews.org.