Onderzoek naar elektronenoverdracht in Lewis-paren biedt aanknopingspunten voor metaalvrije chemie

Lars van der Zee van de Universiteit van Amsterdam heeft de Dick Stufkens-prijs 2026 gekregen voor zijn promotieonderzoek naar elektronenoverdracht in gefrustreerde Lewis-paren. Zijn werk brengt in kaart hoe deze moleculaire systemen radicalen vormen, zowel onder invloed van warmte als door licht. Die kennis kan helpen bij de ontwikkeling van nieuwe reacties voor de activering van chemisch stabiele moleculen.

Gefrustreerde Lewis-paren (FLP’s) bestaan uit een Lewiszuur en een Lewisbase. Het zuur kan elektronen opnemen, terwijl de base elektronen afstaat. Door sterische hindering — omvangrijke groepen rond de reactieve centra — kunnen beide componenten geen stabiel moleculair adduct vormen. Daardoor blijven reactieve plaatsen beschikbaar waarmee kleine moleculen kunnen worden geactiveerd.

FLP-chemie is onder meer interessant voor metaalvrije katalyse. Zo kunnen bepaalde Lewis-paren waterstofmoleculen splitsen in een proton en een hydride-ion. Daarmee zijn chemische omzettingen mogelijk waarvoor conventioneel vaak een metaalhoudende katalysator wordt gebruikt.

De gebruikelijke reacties van FLP’s verlopen via de overdracht van een elektronenpaar. In bepaalde systemen kan echter ook één elektron worden overgedragen. Dat proces, single-electron transfer (SET), levert radicale ionen op: deeltjes met een ongepaard elektron die anders kunnen reageren dan gewone ionen of neutrale moleculen.

Twee routes naar radicalen

Van der Zee onderzocht twee mechanismen: thermische en fotochemische elektronenoverdracht. Bij thermische SET wordt de overdracht aangedreven door thermische energie. Bij fotochemische SET absorbeert het moleculaire systeem licht, waardoor een elektronoverdracht mogelijk wordt.

Om de mechanismen van elkaar te onderscheiden, onderzocht hij verschillende combinaties van elektronendonoren en -acceptoren. Voor thermische SET gebruikte hij onder meer chinonen als elektronenacceptoren, in combinatie met triaryl fosfines en triarylamines als donoren. Voor fotochemische SET onderzocht hij onder meer systemen met pnictogeenhoudende donoren en boraanacceptoren.

De combinatie van synthese, spectroscopie, elektrochemie en theoretische berekeningen maakte het mogelijk om de vorming en het gedrag van de reactieve tussenproducten gedetailleerder te bestuderen. Daarbij werkte Van der Zee samen met onderzoeksgroepen die onder meer gespecialiseerd zijn in EPR-spectroscopie, tijdsopgeloste absorptiespectroscopie en computationele chemie.

Reactieve tussenproducten beter begrijpen

Radicalen zijn interessant omdat ze reacties mogelijk kunnen maken die via conventionele overdracht van elektronenparen moeilijk verlopen. Een belangrijk doel binnen de FLP-chemie is de activering van stabiele moleculen, zoals methaan. De sterke koolstof-waterstofbindingen maken methaan relatief inert en daardoor lastig selectief om te zetten.

De vorming van radicale ionen in FLP-systemen biedt aanknopingspunten voor nieuwe reactieroutes. Het onderzoek van Van der Zee richt zich op de fundamentele mechanismen die daarvoor nodig zijn; het betekent niet dat hiermee al een praktisch proces voor de omzetting van methaan is gerealiseerd.

Naast het mechanistische onderzoek ontwikkelde Van der Zee een nieuwe syntheseroute voor boraanverbindingen die nodig waren voor zijn onderzoek naar fotochemische elektronenoverdracht. Die route vermijdt het gebruik van een tins katalysator. Daarmee leverde het werk ook een concrete bijdrage aan de bereiding van de moleculen die nodig zijn om deze chemie verder te onderzoeken.

Van der Zee promoveerde in april 2026 aan de Universiteit van Amsterdam, waar zijn onderzoek werd begeleid door Chris Slootweg en Andreas Ehlers. Inmiddels werkt hij als senior R&D-chemicus bij BOR-LYTE, een spin-off die booraatgebonden geleidende zouten en verwante materialen ontwikkelt voor energieopslagsystemen.

De Dick Stufkens-prijs wordt jaarlijks toegekend voor het beste proefschrift binnen de Holland Research School of Molecular Chemistry. De jury roemde vooral de combinatie van verschillende chemische disciplines en de gedetailleerde analyse van de mechanismen achter elektronenoverdracht.