Een oud vermoeden krijgt modern bewijs

Niet te meten

De stelling van Van ‘t Hoff is daarom intrigerend en belangrijk. Want als hij gelijk heeft, dan moet je dus rekening houden met de invloed van je oplosmiddel op de reacties die plaatsvinden en op het uiteindelijke product dat je wilt vormen. Helaas leverde Van ‘t Hoff geen experimenteel bewijs voor zijn stelling. Ook in de vele jaren daarna bleef de stelling onbewezen rondsluimeren. Maar nu, ruim 120 jaar later, is de groep van Bert Meijer, hoogleraar organische chemie aan de TU Eindhoven, vanuit een totaal onverwachte hoek op bewijs voor de stelling gestuit.

Wat blijkt: het effect waar Van ‘t Hoff op zinspeelt bestaat wel degelijk, maar het is veel te klein om direct te meten. Doordat het team in Eindhoven werkt aan heel lange moleculen, zogeheten supramoleculaire polymeren, krijg je een optelsom van al die kleine effecten tot iets dat je wel kunt meten. Echter, ten tijde van Van ‘t Hoff en van generaties chemici na hem, waren dit type moleculen nog helemaal niet bekend. Van supramoleculaire chemie had toen nog nooit iemand gehoord. “We begrijpen nu waarom het zo lang duurde voordat iemand de voorspelling van Van ‘t Hoff via experimenten kon toetsen”, aldus Meijer.

Waarom besloot Meijer eigenlijk om zich in deze negentiende-eeuwse stelling te verdiepen? “Dat was helemaal niet het uitgangspunt, maar hier liepen we gaandeweg tegenaan.” Meijer leunt achterover en gaat er eens goed voor zitten. “Het begon allemaal met een idee van Marcin Ślęczkowski, toen nog promovendus in mijn groep. Een idee dat ik eerst helemaal niet zag zitten.”

Stapelende schijfjes

De groep van Meijer ontwerpt en maakt supramoleculaire polymeren die zichzelf vormen vanuit de losse bouwstenen. Die bouwstenen zijn platte schijfjes die spontaan op elkaar gaan stapelen, waardoor lange strengen ontstaan. Door de specifieke vorm van de schijfjes krijgt zo’n streng een draaiing, zoals een kurkentrekker ofwel een helix. Die kan twee richtingen hebben: linksom of rechtsom. Meijer: “Wij onderzoeken wat de invloed is van chirale monomeren, dus schijfjes waarvan twee spiegelbeeldvormen bestaan, op de draairichting van de helix. We zoeken naar chirale controle. Hoeveel ‘overmacht’ van één van de twee spiegelbeelden heb je nodig om te zorgen dat je eindproduct de draairichting krijgt die jij wilt? Zodat je precies weet wat je moet doen om bijvoorbeeld alleen maar linksdraaiende strengen te krijgen.”

In dit soort onderzoek spelen sergeant-en-soldaat experimenten een belangrijke rol. De soldaten zijn zogeheten achirale monomeren. Dit zijn bouwstenen zonder spiegelbeeld en dus zonder richtingsvoorkeur. De sergeanten zijn de chirale bouwstenen, met een richtingsvoorkeur. Waar Meijer en zijn groep naar zoeken is de minimale hoeveelheid sergeanten die je nodig hebt om de draairichting van de soldaten te bepalen. “We bestuderen daarnaast ook nog de rol van het oplosmiddel, bijvoorbeeld wat er gebeurt als je achirale bouwstenen en een chiraal oplosmiddel combineert. Daar zien we dat ook het oplosmiddel een voorkeur heeft voor een van de twee draairichtingen van het eindproduct.”

Onzalig plan

Zo uitgelegd klinkt het allemaal best eenvoudig, maar schijn bedriegt. Meijer: “Dit zijn ingewikkelde experimenten om uit te voeren, te analyseren en goed te beschrijven. En toen kwam Marcin met het onzalige plan om chirale monomeren in een chiraal oplosmiddel te bestuderen. Mijn eerste reactie was: ‘Waarom zou je dat in hemelsnaam doen? Het is nu al moeilijk genoeg, waarom wil je het nog ingewikkelder maken?’ Maar hij ging er toch mee aan de slag.”

Marcin Ślęczkowski, inmiddels postdoctoraal onderzoeker bij het Aachen Maastricht Instituut voor Biobased Materialen (AMBIM), staat die discussie nog levendig voor de geest. “Bert zag het totaal niet zitten, maar ik had sterk het gevoel dat we dit moesten doen.” Eerst viel het experimentele werk flink tegen, maar na wat aanpassingen rolden er opeens intrigerende resultaten uit. Ślęczkowski: “Ik liet het zien aan Bert en het bleef een paar minuten stil. Toen wist ik dat ik iets interessants had gevonden.”

De resultaten van Ślęczkowski’s experimenten lieten duidelijk zien dat de twee spiegelbeelden verschillend reageren op het chirale oplosmiddel. Dankzij de gedetailleerde simulaties van zijn collega Mathijs Mabesoone werd duidelijk wat er precies gebeurt. En dat die verschillen pas tastbaar worden als er een grotere structuur ontstaat. Meijer: “We kwamen erachter dat de twee spiegelbeeldvormen van het monomeer echt verschillen in hun interacties met het oplosmiddel. Het verschil is echter te klein om op het niveau van enkele monomeren te meten. Maar als de twee spiegelbeelden ieder hun ‘eigen’ lange streng gaan vormen, tellen die kleine verschillen bij elkaar op en dan wordt het groot genoeg om wel te kunnen meten.”

Kers op de taart

Dat was al een doorbraak, maar het werd nog mooier toen Ślęczkowski in de literatuur ging zoeken naar vergelijkbare experimenten en resultaten. Die waren nauwelijks te vinden. Wat hij wel vond, was de voorspelling van Van ‘t Hoff over de verschillen tussen enantiomeren in een chiraal oplosmiddel. Precies wat hij en zijn collega’s met de supramoleculaire polymeren hadden aangetoond. Het was de kers op de taart, aldus Ślęczkowski. “We begrijpen nu dat Van ‘t Hoff gelijk had en ook waarom het nog niemand was gelukt om dit om te zetten in experimenten. Je hebt die grotere structuur nodig, anders zie je het niet.”

Hoe mooi deze samenloop van omstandigheden ook is, er was blijkbaar tot nu toe ook niet veel reden om de stelling van Van ‘t Hoff eens grondig te onderzoeken. Ruim 120 jaar konden we zonder. Volgens Meijer levert het voor de supramoleculaire chemie – waarbij moleculen tijdelijk aan elkaar plakken, maar ook weer loskomen – toch belangrijke inzichten. “In de klassieke organische chemie, waarbij je nieuwe, losse moleculen maakt, weten we veel over de rol van het oplosmiddel. Dat geldt ook voor polymeren, de ‘gewone’ kunststoffen. Ook daarvoor begrijpen we goed welke invloed het oplosmiddel heeft. Maar voor de supramoleculaire materialen is dat nog grotendeels onbekend. Ons onderzoek laat zien dat die invloed er wel degelijk is en dat kleine effecten tot iets groots kunnen optellen.”

Doorlopende lijn

Dat is relevant voor de (grootschalige) productie van materialen, zoals coatings die zijn gebaseerd op supramoleculaire chemie. “Dit laat zien dat zelfs een restantje oplosmiddel dat is achtergebleven toch grote invloed kan hebben op het uiteindelijke materiaal dat wordt gevormd. Dat hebben we eerder al laten zien voor water, maar het geldt dus ook voor andere oplosmiddelen. Het oplosmiddel is niet alleen maar een passieve omgeving, het speelt een actieve rol in de reacties die je uitvoert.”

Daarnaast zet het Meijer aan het denken over het ontstaan van de duidelijke chirale voorkeur in de natuur. “Alle aminozuren hebben dezelfde voorkeursrichting en ook de DNA helix draait altijd dezelfde kant. Maar puur chemisch gezien had het ook de andere richting kunnen zijn. Hoe is ooit die voorkeur ontstaan? Ons werk laat zien dat kleine verschillen aan het begin, heel snel kunnen uitgroeien tot een heel sterke voorkeur die onomkeerbaar is. Het is een zichzelf versterkend systeem. Dat is interessant om over na te denken. En daarnaast is het ontzettend leuk dat wij via onverwachte, moderne waarnemingen terecht zijn gekomen komen bij vermoedens die al in de negentiende eeuw leefden. Dat er een doorlopende lijn in het denken is, dat vind ik heel mooi.”