Ein neuer Weg zur Kontrolle von '3D'-Effekten bei chemischen Reaktionen
Der Durchbruch öffnet die Tür zu einer völlig neuen Art der Kontrolle der Produkte chemischer Reaktionen
Forscher haben zum ersten Mal sterische Effekte - d. h. Wechselwirkungen zwischen Molekülen in Abhängigkeit von ihrer räumlichen Ausrichtung (und nicht nur zwischen ihren an der Bindung beteiligten Elektronen) - bei einer chemischen Reaktion mit unpolaren Molekülen beobachtet. Dieser Durchbruch öffnet die Tür zu einer völlig neuen Art der Kontrolle der Produkte chemischer Reaktionen.
Ein Forscher arbeitet an einem Laser zur Kontrolle der Richtung der Bindungsachse von HD-Molekülen
Image by DICP
Ein Artikel, der die Ergebnisse des Forscherteams beschreibt, wurde am 12. Januar in der Zeitschrift Science veröffentlicht.
Eines der zentralen Ziele der Chemie ist es, neue Methoden zur Kontrolle chemischer Reaktionen zu entwickeln. Die Steuerung chemischer Reaktionen erfordert in erster Linie ein Verständnis der Wechselwirkungen zwischen den Elektronen verschiedener Atome. Diese "elektronischen" Effekte bestimmen viele der Eigenschaften und das Verhalten von Chemikalien und die Veränderungen, die sie bei Reaktionen erfahren.
Aber auch die relative räumliche Anordnung der Atome in den Molekülen wirkt sich auf ihre Eigenschaften, ihr Verhalten und die Veränderungen aus, die sie erfahren können. Viele Menschen kennen die Geschichte von Thalidomid, dem Medikament, das in den 1950er Jahren für eine Reihe schwerer Geburtsfehler verantwortlich war. Der Fehler, der zu dieser Tragödie führte, hing damit zusammen, dass eine Chemikalie mit der gleichen Formel wie eine andere, aber mit spiegelbildlicher Struktur, unterschiedliche biologische Wirkungen haben kann.
Die Untersuchung, wie sich diese räumlichen Anordnungen auf chemische Reaktionen auswirken - so genannte "sterische Effekte" - und wie solche Effekte manipuliert werden können, bilden das Teilgebiet der Stereochemie, die manchmal auch als "3D-Chemie" bezeichnet wird, weil sie sich mit der Ausrichtung von Atomen und Molekülen im dreidimensionalen Raum beschäftigt.
Diese Effekte sind das Ergebnis von Abstoßungskräften zwischen sich überlappenden Elektronenwolken. Das Komplement von entgegengesetzten und gleichartigen Ladungen erzeugt eine bestimmte 3D-Form in einem Molekül, einschließlich der Winkel zwischen den Atomen und der Achse der chemischen Bindung ("Bindungsachse").
Die Forscher haben sich in ihrem Labor darauf spezialisiert, die Richtung der Bindungsachse von Molekülen, die an chemischen Reaktionen beteiligt sind, zu kontrollieren - ein Weg, um chemische Reaktionen über die traditionellen Methoden hinaus zu manipulieren, wie etwa die Zugabe geeigneter Katalysatoren und die Änderung der Temperatur oder des Drucks einer Reaktionsmischung.
"In den Köpfen vieler Menschen und sogar in einigen Chemie-Lehrbüchern werden Struktur und Form eines Moleküls bei der physikalischen Darstellung einer chemischen Reaktion unterschwellig ignoriert", so Yufeng Wang, Hauptautor der Studie und Chemiker am State Key Laboratory of Molecular Reaction Dynamics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. "Aber Moleküle können nicht einfach als Massenpunkt betrachtet werden. Die Struktur und die Form des Reaktionsmoleküls können tiefgreifende Auswirkungen auf die chemische Reaktion haben."
Die gegenseitige Ausrichtung der aufeinander treffenden Reaktanten wiederum hat ebenfalls einen großen Einfluss auf das Ergebnis der chemischen Reaktion. Durch die Kontrolle dieser Ausrichtung sollte es möglich sein, die Ausbeute der Reaktionsprodukte in bestimmten Endzuständen oder Streuwinkeln zu fördern oder einzuschränken.
Experimente, bei denen diese Art der Kontrolle der Molekülausrichtung durch Zusammenstöße versucht wird, werden seit einigen Jahren an polaren Molekülen durchgeführt. Polare Moleküle sind Moleküle wie z. B. Wasser, bei denen das Molekül aufgrund der ungleichen Verteilung der Elektronen zwischen den einzelnen Atomen ein negatives und ein positives Ende aufweist.
An unpolaren Molekülen wurden sie jedoch nicht durchgeführt. Unpolare Moleküle, wie z. B. molekularer Sauerstoff oder Stickstoff, bestehen aus Atomen, die sich die Elektronen gleichmäßig teilen und daher keine Ladung haben. Dennoch sollte es sehr große sterische Effekte geben, da die fehlende Ladung zu sehr schwachen "lenkenden" Wechselwirkungen auf dem Weg zum Zusammenstoß führt.
Molekularer Wasserstoff (H2), ein weiteres unpolares Molekül, sollte ein guter Kandidat für solche orientierenden Streuexperimente sein, nicht zuletzt wegen seiner Einfachheit, da jedes Atom nur ein Proton und ein Elektron hat (und somit eine beträchtliche theoretische Nachvollziehbarkeit aufweist).
Bis vor kurzem war es jedoch schwierig, ausreichende Konzentrationen vonH2 in bestimmten Quantenzuständen für Streuexperimente herzustellen. Dank der Entwicklung eines gepulsten optischen parametrischen Oszillators/Verstärkers mit hoher Energie und einem einzigen longitudinalen Modus sind nun große Konzentrationen von H2 in spezifischen Quantenzuständen verfügbar, wobei das Schema des stimulierten Raman-Pumpens verwendet wird. Die Menge reicht nun aus, um die Kollisionsdynamik zu untersuchen undH2-Moleküle für Experimente zur sterischen Dynamik in eine bestimmte Richtung auszurichten.
Mit dem Aufkommen dieser neuen Technik wollten die Forscher sehen, ob die vorhergesagten signifikanten sterischen Effekte auch bei den einfachsten chemischen Reaktionen mitH2-Molekülen beobachtet werden können.
Für ihr Experiment wählten die Forscher eine sehr einfache chemische Reaktion, nämlich die Umwandlung von Wasserstoff (H) und Deuteriumwasserstoff (HD - ein Wasserstoffatom, das an ein Deuteriumatom gebunden ist, ein Wasserstoffisotop mit einem zusätzlichen Neutron) in molekularen Wasserstoff (H2) und Deuterium (D). Sie ließen die chemischen Reaktanten bei drei verschiedenen Kollisionsenergien und in zwei verschiedenen Kollisionsgeometrien aufeinanderprallen - eine, bei der die chemische Bindung parallel zur Relativgeschwindigkeit der Kollisionspartner ausgerichtet war, und eine, bei der die Bindung senkrecht dazu ausgerichtet war.
Das Forscherteam beobachtete erfolgreich die vermuteten erheblichen sterischen Effekte und analysierte seine Beobachtungen mit Hilfe von Quantendynamikberechnungen auf unkomplizierte Weise. Sie fanden heraus, dass die Tatsache, dass zwei Wellen zusammen eine größere Welle in der senkrechten Konfiguration erzeugen, eine wichtige Rolle bei den beobachteten sterischen Effekten spielt. Die chemische Reaktion änderte sich drastisch in Abhängigkeit von der Richtung der HD-Bindungsachse.
Die Beobachtungen und das zugrundeliegende theoretische Verständnis öffnen die Tür zu einem neuen Weg, chemische Reaktionen zu kontrollieren.
Als Nächstes wird das Team diese Forschung auf kompliziertere Reaktionen ausdehnen, die sowohl in Bezug auf die Durchführung von Experimenten als auch auf theoretischer Ebene sehr viel anspruchsvoller sein werden. Das Endziel ist die Entwicklung präziserer und wirksamerer Methoden zur Steuerung chemischer Reaktionen in allen Bereichen, nicht nur bei den einfachsten Molekülen.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
Originalveröffentlichung
Weitere News aus dem Ressort Wissenschaft
Holen Sie sich die Chemie-Branche in Ihren Posteingang
Ab sofort nichts mehr verpassen: Unser Newsletter für die chemische Industrie, Analytik, Labor und Prozess bringt Sie jeden Dienstag und Donnerstag auf den neuesten Stand. Aktuelle Branchen-News, Produkt-Highlights und Innovationen - kompakt und verständlich in Ihrem Posteingang. Von uns recherchiert, damit Sie es nicht tun müssen.
