Onderzoekers ontdekken onbekende chemische reactie en dat kan grote gevolgen hebben

Zwavelbindingen in bepaalde moleculen blijken vanzelf te breken en opnieuw te vormen wanneer ze in contact komen met specifieke oplosmiddelen. Daar zijn geen warmte, licht of extra chemicaliën voor nodig. De ontdekking opent de deur naar slimmere materialen en plastic dat je volledig kunt recyclen.

De reactie, die ontdekt werd door onderzoekers uit Australië en Groot-Brittannië, draait om zogeheten trisulfiden. Dat zijn moleculen waarin drie zwavelatomen achter elkaar zitten tussen twee organische groepen. Dergelijke zogenoemde zwavel-zwaverbindingen komen overal in de natuur voor, bijvoorbeeld in eiwitten, in geneesmiddelen, in rubber en zelfs in knoflook. Normaal gesproken heb je behoorlijk wat energie nodig om ze te verbreken en opnieuw te laten vormen.

De onderzoekers ontdekten nu dat trisulfiden de spelregels compleet negeren. Wanneer je ze oplost in bepaalde oplosmiddelen, met name DMF (dimethylformamide) en vergelijkbare vloeistoffen die veel in laboratoria worden gebruikt, ruilen de moleculen spontaan stukken met elkaar. Twee verschillende trisulfiden ruilen als het ware hun ‘armen’ uit en vormen zo nieuwe combinaties. En dat alles bij kamertemperatuur, in sommige gevallen binnen een paar seconden.

Waarom dit zo bijzonder is

Dat maakt deze reactie fundamenteel anders dan wat scheikundigen gewend zijn bij vergelijkbare verbindingen. Disulfiden (met twee zwavelatomen) hebben altijd een externe prikkel nodig om te reageren. Tetrasulfiden (met vier zwavelatomen) zijn weliswaar zwakker maar bleven onder dezelfde omstandigheden juist volkomen stabiel.

Eerder onderzoek uit de jaren zestig liet al zien dat trisulfiden bij temperaturen van 80 tot 150 graden Celsius langzaam stukken wisselen, maar dat proces nam dagen in beslag en er ontstonden nevenproducten. De nieuw ontdekte reactie is veel sneller en levert ook uitsluitend trisulfiden op als product.

Concrete toepassingen

De onderzoekers lieten het niet bij de ontdekking alleen. Ze hebben meteen een reeks praktische toepassingen aangetoond.
De reactie kan bijvoorbeeld gebruikt worden om een complex kankermedicijn aan te passen. Calicheamicine is een middel dat al klinisch wordt ingezet als onderdeel van bepaalde kankerbehandelingen. Dit molecuul bevat van nature een trisulfide, maar ook allerlei andere gevoelige groepen die je absoluut niet wilt verstoren. De onderzoekers slaagden erin om met hun nieuwe reactie specifiek de trisulfide-eenheid in calicheamicine aan te passen, zonder enige schade aan de rest van het molecuul. Dat is relevant omdat het manipuleren van precies die trisulfide-eenheid belangrijk is bij het koppelen van het medicijn aan antistoffen die het naar tumorcellen dirigeren.

Een toepassing die eveneens een brede impact kan hebben, is de ontwikkeling van een nieuwe kunststof die volledig is opgebouwd uit trisulfide-eenheden. De vaste stof lijkt qua eigenschappen op polyethyleen. Dat is het alomtegenwoordige plastic van tasjes en flessen. Er is echter één cruciaal verschil. Door het polymeer op te lossen in DMF en een overmaat van een klein trisulfide toe te voegen, valt de hele kunststof binnen een minuut uit elkaar tot de oorspronkelijke bouwstenen. Die monomeren kun je vervolgens opnieuw gebruiken. Een gesloten kringloop dus, met volgens de wetenschappers een terugwinning van meer dan 90 procent.

Wat dit kan betekenen

Het is verleidelijk om dit soort ontdekkingen meteen als een doorbraak te bestempelen, maar de onderzoekers zijn in hun studie zelf ook voorzichtig. Het recyclebare plastic heeft bijvoorbeeld een lagere treksterkte dan gewoon polyethyleen en de reactie werkt het best met zeer specifieke oplosmiddelen.

Toch is de potentiële impact groot. De reactie combineert namelijk eigenschappen die in de scheikunde zelden samengaan: ze is snel, selectief, mild en omkeerbaar. Dat maakt haar in principe inzetbaar in veel verschillende domeinen. En het feit dat er geen dure katalysatoren of speciale apparatuur nodig zijn, maakt het realistisch dat dit kan worden opgeschaald naar industriële processen. Het onderzoeksteam heeft inmiddels verschillende patentaanvragen ingediend.

Schrijf je in voor de nieuwsbrief! Ook elke dag vers het laatste wetenschapsnieuws in je inbox? Of elke week? Schrijf je hier in voor de nieuwsbrief!