Anders Reinholdt er ikke den første forsker i verden til at interessere sig for titans kemi, men han er med til at pionere forskningen.

Ti³⁺ har været kendt i mere end 100 år, hvor forskere har undersøgt titan i dette lavere oxidationstrin. De første succesfulde forsøg på at lave Ti²⁺ skete i 1980erne, men der er forskel på de ligander, som overgangsmetallet bliver pakket ind i. Heri ligger også en interessant detalje.

Traditionelt har forskere kun været i stand til at pakke Ti²⁺ ind i såkaldte oktaedriske geometrier, hvilke vil sige, at titan er omgivet af ligander, der tilsammen er bundet seks steder til overgangsmetallet. Anders Reinholdt er som den første forsker lykkedes med at pakke sit ekstremt reaktive titan ind i ligander, der kun er bundet fire steder til overgangsmetallet og dermed skabt en tetraedisk geometri omkring atomet.

Det lyder måske som en detalje for keminørder, men det er faktisk enormt betydningsfuldt. Når et titan-atom er omgivet af seks ligander, er det for indkapslet, til at andre molekyler kan komme ind til atomet og reagere med det. Så virker det heller ikke særligt godt som katalysator. Men med kun fire ligander bliver tilgængeligheden til titan øget, og det åbner op for det katalysatorpotentiale, som hele Anders Reinholdts forskning sigter mod at realisere.

»Den tetraedriske ligandstruktur omkring titan fandtes ikke før 2020, hvor vi fremstillede det for første gang. Det var ret fedt, da det lykkedes, fordi man i mange år havde diskuteret, om det overhovedet kunne lade sig gøre, eller om systemet simpelthen ville være for reaktivt. Men det kunne lade sig gøre, og den tetraedriske ligandstruktur kan sammenlignes med, at man indkapsler et reaktivt monster i et bur, som man kan lukke det ud af, når det skal rive og flå i andre molekyler i forbindelse med katalysering af en kemisk proces,« forklarer han.

Efter udviklingen af den tetraedriske ligandstruktur omkring titan var det blevet tid til at lave grundforskningseksperimenter med komplekset for at karakterisere dets reaktionsmønstre og de egenskaber, som Ti²⁺ har i komplekset.

Klassiske Ti²⁺-komplekser med en oktaedrisk ligandstruktur reagerer meget hurtigt med såkaldte azider, der er forbindelser med en kemisk formel, hvori der indgår tre nitrogenatomer. I hverdagen kendes azid-salte blandt andet fra airbags, hvor azidet kan gå i stykker og afstøde N₂ (den form for nitrogen, der udgør 78 pct. af atmosfæren), hvorved airbaggen pustes op.

Indtil videre har forskere dog ikke kendt meget mere til den kemiske reaktion mellem Ti²⁺ og azid, end at der sker en afstødning af N₂, og at der ud over det bliver dannet et produkt med en tripelbinding (figur 2). Dette produkt hedder inden for kemien et imid-kompleks. Et imid er en kemisk gruppe, der anvendes i blandt andet organisk syntesekemi og indgår i biologisk aktive molekyler som for eksempel lægemidler og pesticider.

»Imider kan man overføre til en lang række mindre kemiske molekyler og klistre dem sammen som legoklodser. Det har Ti²⁺ vist sig at være godt til. Først danner Ti²⁺ et imid-kompleks og overfører derefter imid-gruppen til et andet molekyle, hvorefter Ti²⁺ kan virke som en katalysator igen. Men man har ikke før nu vidst meget om, hvordan de her kemiske reaktioner forløber. Det er som en tryllekunst, hvor man ikke kan nå at følge med i, hvad tryllekunstneren laver med sine hænder. Man kan bare se, at de førhen var tomme, men at der nu er en kanin i en af dem. Sådan er det også med denne kemiske reaktion. Vi kender ganske vist til startpunktet og slutpunktet, men vi vil gerne vide, hvad der sker ind imellem,« forklarer Anders Reinholdt.

Anders Reinholdt ønskede at finde ud af mere om den kemiske reaktion mellem Ti²⁺ og azider i dannelsen af imider og lavede derfor en lang række studier af reaktionsforløbet. En af disse undersøgelser viste som noget af det første, at der ved reaktionen ikke bare bliver dannet et imid-kompleks med dertilhørende afstødning af N₂. Ydermere bliver der dannet et azid-kompleks med azid bundet til Ti²⁺, uden at der ryger et N₂ i svinget.

Forskeren kløede sig først i hovedbunden og gav sig derefter til at undersøge, om noget ved selve reaktionsbetingelserne påvirkede udbytteforholdet mellem imid- og azid-komplekset. Her startede han med nogle meget simple forsøg, hvor han dryppede én ækvivalent af azid ned i Ti²⁺-komplekset og observerede, hvad udfaldet blev. Denne tilgang resulterede i, at forholdet mellem de to produkter blev omtrent 1:1, altså et udbytte på ét imid-kompleks pr. ét azid-kompleks.

Da forskeren efterfølgende byttede rundt på rækkefølgen og dryppede Ti²⁺ ned i azid, blev der næsten udelukkende dannet azid-komplekset og ikke meget imid. På samme måde blev der næsten udelukkende dannet azid-komplekset, da forskeren blandede azid i Ti²⁺ i forholdet 10:1. Omvendt blev der slet ikke dannet noget azid-kompleks, da forskeren blandende de to komponenter med mere Ti²⁺ end azid. Så blev der kun dannet imid.

Resultaterne af de mange forsøg var en gåde, men de pegede i den interessante retning, at der skulle anvendes et overskud af Ti²⁺ sammenlignet med mængden af azid, for at komplekset kunne afstøde N₂ i den kemiske reaktion.

»Det er altid interessant, når A + B ikke giver det samme resultat som B + A. Det er faktisk sjældent, at det sker. Når man uddanner kemikere, fortæller man dem, at det næsten er ligegyldigt, om man hælder det ene i det andet eller omvendt, men lige i dette tilfælde er det altså ikke ligegyldigt,« siger Anders Reinholdt.

Det næste skridt i forskningen var at komme endnu et lag dybere ned i forståelsen af den kemiske reaktion. Til det formål benyttede Anders Reinholdt reaktionskinetik, som kan gøre forskere klogere på blandt andet reaktionshastigheder, og hvor meget energi der skal til, for at en given reaktion kan forløbe.

Anders Reinholdt fokuserede først og fremmest på azid-komplekset. Her fandt han ud af, at når han opvarmede komplekset til over 50 grader celsius, afstødte det N₂ og blev omdannet til imid-komplekset. Imid-komplekset var også det molekyle, som han hele tiden havde regnet med at få ud af processen.

Efterfølgende udregnede han, at der skulle en mængde energi svarende til 110 kJ/mol for at få azid-komplekset til at afstøde N₂ og blive til imid-komplekset. 110 kJ/mol er også det, som vi tidligere i denne artikel omtalte som aktiveringsenergien, altså hvor meget energi der skal til at få en reaktion til at forløbe. Omregnet til det, som forskere kalder for halveringstid, svarer det til, at halvdelen af alle azid-komplekserne vil blive omdannet til imid-komplekser i løbet af to måneder, hvis de bare få lov til at stå i en skål ved stuetemperatur.

Taler vi om katalysering af industrielt interessante kemiske processer, er to måneder nok lige i overkanten af, hvad man har tålmodighed til.

Da Anders Reinholdt havde fundet størrelsen på aktiveringsenergien, gik han sammen med en sydkoreansk forskergruppe, der er specialiseret i teoretisk kemi og med computerprogrammer kan udregne alle mulige måder, hvorpå to molekyler kan indgå i en reaktion. Samtidig kan de sydkoreanske forskere se, hvad det vil koste i energi at få reaktionen til at forløbe, og ved at sammenligne med aktiveringsenergien fra kinetikeksperimenter kan man finde ud af, hvilket af de teoretiske reaktionsforløb der faktisk er det, som sker i den virkelige verden.

»De sydkoreanske forskere kom tilbage med flere forskellige mulige reaktioner, men kun én af dem kostede 110 kJ/mol. Så vidste vi, hvilken reaktion der var den rigtige. Der sker det, at azid-gruppen bøjer rundt, og azidet binder sig fast to steder på titan-atomet. Det danner derved en fire-leddet ring, som gør det muligt for N₂ at slippe fri, så imid-gruppen kan binde til titan-atomet i stedet for. Blandt de alternative teoretiske reaktionsveje fandt de sydkoreanske forskere et forløb, hvor azidet i stedet dannede en tre-leddet ring med titan, men den krævede over 170 kJ/mol,« forklarer Anders Reinholdt.