Katalysatoren kunnen onder meer worden ingezet bij de aanpak van actuele problemen. ‘Een katalysator is in potentie een goed middel om het olieprobleem of het broeikaseffect op te lossen,' zegt De Bruin. ‘Als een chemische reactie, bijvoorbeeld bij het maken van plastic, door een katalysator efficiënter verloopt, hoeft er minder olie te worden gebruikt om hetzelfde product te maken.
‘Hoewel de ontwikkeling nog ver weg is, kan het zelfs zo ver gaan dat we op een gegeven moment nuttige chemicaliën of brandstoffen voor onze auto's uit biologische en dus hernieuwbare grondstoffen kunnen maken. Het is eigenlijk simpel: we weten wat we willen maken, en uit welke bouwstenen dit bestaat. Het enige dat we nog moeten uitvinden is een geschikte nieuwe katalysator om die bouwstenen bij elkaar te krijgen zodat de producten ontstaan die wij willen maken.'
Daarnaast zijn katalysatoren simpelweg een goede manier om geld te verdienen. Geld dat gebruikt kan worden voor de financiering van nieuw onderzoek. ‘Wij chemici lijken eigenlijk op de alchemisten van vroeger: we proberen we nog steeds van lood goud te maken,' merkt De Bruin op. ‘Wij proberen uit goedkope materialen, met behulp van een katalysator, waardevolle verbindingen te maken. Als wij bijvoorbeeld een bepaalde nieuwe polymeer, een lange keten van aan elkaar geregen kleinere moleculen, maken met behulp van een katalysator, kan dat polymeer mogelijk later verkocht worden aan een bedrijf. De verkoop van polymeren is inmiddels een miljardenbusiness.'
Veel bedrijven, onder meer uit de olie- en medicijnindustrie, maken gretig gebruik van de expertise van onder andere De Bruin. Hun kennis wordt toegepast voor verschillende doeleinden. Aan de ene kant kan het optimaliseren van een chemische reactie met behulp van een katalysator winst opleveren, bijvoorbeeld door een besparing aan energie of doordat er minder grondstoffen worden gebruikt. Aan de andere kant kan na intensief onderzoek een materiaal met unieke eigenschappen ontstaan. Uiteindelijk kan zo'n product dan in de winkel terechtkomen.
Radicale werkwijze
Het huidige onderzoek van De Bruin, waarvoor hij werd beloond met een ERC-Grant, geeft een goed voorbeeld van deze synergie tussen wetenschap en bedrijfsleven. Met behulp van een speciaal soort katalysator, een radicaal, is hij namelijk bezig aan de ontwikkeling van een nieuw plastic, waaraan unieke eigenschappen als een betere verfbaarheid meegegeven kan worden.
Op een foto die De Bruin toont is duidelijk het resultaat van deze katalysator te zien. Aan de linkerkant van de foto is een bruin hoopje met de uiterlijke kenmerken van een kauwgom, gemaakt met behulp van ‘oude' katalysatoren, te zien. Aan de rechterkant het materiaal dat het resultaat is van een radicaal nieuwe katalysator en dat er wit, hard en veel meer als plastic uitziet. Dit moet verder worden ontwikkeld, zodat het in de toekomst ook in het dagelijkse leven kan worden gebruikt, bijvoorbeeld bij de productie van auto-onderdelen of raamkozijnen.
Binnen de vakgroep Homogene en Supramoleculaire Katalyse is De Bruin een van de weinigen die zich bezighoudt met zogeheten metallo-radicalen als katalysatoren en reactieve carbenen (een soort dubbelradicaal) als reagentia. Zelfs wereldwijd is hij een voorloper in dit specifieke vakgebied. Dit komt omdat het werken met deze radicalen gepaard gaat met lastige onderzoekssituaties. Een radicaal is een molecuul of atoom dat een ongepaard elektron bevat. Door deze ongepaarde elektronen zijn radicalen zeer reactief. Radicalen bestaan daardoor vaak maar zeer korte tijd als tussenproduct tijdens reacties. Gezien hun reactiviteit kunnen radicalen in de fractie van secondes dat ze bestaan grote veranderingen teweegbrengen bij andere moleculen.
De magnetische eigenschappen van deze stoffen zijn echter zo anders dat meetapparatuur, die normaliter bij katalysatoren wordt gebruikt, niet in staat is vast te leggen wat er eigenlijk gebeurt. Daardoor is een analyse maken van de reactie via de normale methodes niet altijd mogelijk.
De Bruin ziet in deze moeilijkheden juist een uitdaging. Hoewel hij zijn werkwijze wel enigszins moet aanpassen bij zijn onderzoek naar radicalen en carbenen. ‘Het is lastig om deze radicalen te karakteriseren, maar juist daarom wil ik de reactiviteit van deze stoffen begrijpen. Ik wil een verklaring hebben waarom een bepaalde reactie plaatsvindt. Om die te kunnen krijgen, ga ik bij metallo-radicalen anders te werk dan bij andere katalysatoren. In de praktijk betekent dit dat er veel geëxperimenteerd moet worden. We voegen een radicaal of carbeen toe aan een reactie en dan is het een kwestie van afwachten wat er gebeurt. Daarbij gaat het vaak niet zoals je van tevoren denkt, maar dat maakt dit werk juist zo leuk.'
Juist door dat geëxperimenteer kon De Bruin het eerder genoemde plastic maken. ‘De werkwijze is een radicale verandering ten opzichte van wat gebruikelijk was,' vertelt hij met gepaste trots. ‘We wisten hoe het plastic eruit moest zien, maar de weg ernaartoe was nog onbekend. Voorheen werd geprobeerd om deze specifieke polymeren te maken uit gefunctionaliseerde alkenen, maar die ketens werden een warboel. De ketens werden wel gemaakt, maar het zag eruit als een totale chaos, waardoor er een heel ander materiaal uit de reactie kwam dan gewenst. Toen we het rhodium als katalysator gebruikten om carbenen te polymeriseren kwam er een net, goed geordend polymeer uit.'