Forscher entwickeln einen neuen Weg, um „3D“-Effekte in chemischen Reaktionen zu kontrollieren

Erstmals haben Forscher sterische Effekte – also Wechselwirkungen von Molekülen in Abhängigkeit von ihrer räumlichen Orientierung (nicht nur zwischen ihren an der Bindung beteiligten Elektronen) – bei einer chemischen Reaktion mit unpolaren Molekülen beobachtet. Der Durchbruch öffnet die Tür zu einer völlig neuen Möglichkeit, die Produkte chemischer Reaktionen zu kontrollieren.

Ein Artikel, der die Ergebnisse des Forschungsteams beschreibt, wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft am 12. Januar.

Eines der zentralen Ziele der Chemie ist die Entwicklung neuer Methoden zur Steuerung chemischer Reaktionen. Die Kontrolle chemischer Reaktionen beinhaltet größtenteils das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen den Elektronen verschiedener Atome. Diese „elektronischen“ Effekte bestimmen viele der Eigenschaften und des Verhaltens von Chemikalien und die Veränderungen, denen sie während der Reaktionen unterliegen.

Aber die relative räumliche Anordnung von Atomen innerhalb von Molekülen beeinflusst auch ihre Eigenschaften, ihr Verhalten und die Veränderungen, denen sie unterliegen können. Viele Menschen werden mit der Geschichte von Thalidomid vertraut sein, dem Medikament, das in den 1950er Jahren für eine Reihe schwerer Geburtsfehler verantwortlich war. Der Fehler, der die Tragödie verursachte, hing damit zusammen, wie eine Chemikalie mit einer identischen Formel zu einer anderen – aber einer spiegelbildlichen Struktur – unterschiedliche biologische Wirkungen haben kann.

Die Untersuchung, wie diese räumlichen Anordnungen chemische Reaktionen beeinflussen, sogenannte „sterische Effekte“, und wie solche Effekte manipuliert werden können, umfasst die als Stereochemie bekannte Unterdisziplin, die manchmal als „3D-Chemie“ bezeichnet wird, da sie sich auf die Orientierung von Atomen und Molekülen konzentriert dreidimensionaler Raum.

Diese Effekte sind das Ergebnis von Abstoßungskräften zwischen überlappenden Elektronenwolken. Die Ergänzung entgegengesetzter und gleicher Ladungen erzeugt eine bestimmte 3D-Form in einem Molekül, einschließlich der Winkel zwischen Atomen und der Achse der chemischen Bindung („Bindungsachse“).

Die Forscher spezialisieren sich auf den Versuch, die Richtung der Bindungsachse von Molekülen zu kontrollieren, die an chemischen Reaktionen beteiligt sind – eine Möglichkeit, chemische Reaktionen über traditionelle Methoden wie das Hinzufügen geeigneter Katalysatoren und das Ändern der Temperatur oder des Drucks einer Reaktionsmischung hinaus zu manipulieren.

„In den Köpfen vieler Menschen und sogar in einigen Chemielehrbüchern werden die Struktur und Form eines Moleküls im physikalischen Bild einer chemischen Reaktion unterschwellig ignoriert“, sagte Yufeng Wang, der Hauptautor der Studie und Chemiker am State Key Laboratory von Molekulare Reaktionsdynamik an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. „Aber Moleküle können nicht einfach als Massenpunkte betrachtet werden. Die Struktur und Form des Reaktantenmoleküls kann tiefgreifende Einflüsse auf die chemische Reaktion haben.“

Auch die gegenseitige Orientierung der miteinander kollidierenden Reaktanten hat wiederum großen Einfluss auf den Ausgang der chemischen Reaktion. Somit sollte es durch Steuerung dieser Orientierung möglich sein, die Ausbeute der Reaktionsprodukte in bestimmte Endzustände oder Streuwinkel zu fördern oder einzuschränken.

Experimente, die versuchen, diese Art der Kontrolle der kollidierenden molekularen Orientierung zu versuchen, werden seit einigen Jahren an polaren Molekülen durchgeführt. Polare Moleküle sind solche wie – am bekanntesten – Wasser, bei denen das Molekül aufgrund der ungleichen Verteilung der Elektronen zwischen den Atomkomponenten ein negatives und ein positives Ende hat.

Sie wurden jedoch nicht an unpolaren Molekülen durchgeführt. Unpolare Moleküle wie molekularer Sauerstoff oder Stickstoff bestehen aus Atomen, die Elektronen zu gleichen Teilen teilen und daher keine Ladung haben. Dennoch sollte es sehr große sterische Effekte geben, weil das Fehlen von Ladung sehr schwache „Lenkungs“-Wechselwirkungen auf dem Weg zur Kollision erzeugen wird.

Molekularer Wasserstoff (H2), ein weiteres unpolares Molekül, sollte ein guter Kandidat für solche Streuexperimente zur Orientierungskontrolle sein, nicht zuletzt aufgrund seiner Einfachheit, dass jedes Atom nur ein Proton und ein Elektron hat (und sich daher einer beträchtlichen theoretischen Nachvollziehbarkeit erfreut).

Bis vor kurzem war es jedoch schwierig, für Streuexperimente ausreichende Konzentrationen von H2 in bestimmten Quantenzuständen herzustellen. Aber dank der Entwicklung eines optischen parametrischen Oszillators/Verstärkers mit hoher gepulster Energie und einem Longitudinalmodus mit Einzellängsmodus sind große Konzentrationen von H2 in bestimmten Quantenzuständen unter Verwendung des Schemas des stimulierten Raman-Pumpens verfügbar geworden. Die Menge reicht nun aus, um die Kollisionsdynamik zu untersuchen und H2-Moleküle für sterische Dynamikexperimente in eine bestimmte Richtung auszurichten.

Mit dem Aufkommen dieser neuen Technik wollten die Forscher sehen, ob die vorhergesagten signifikanten sterischen Effekte bei den einfachsten chemischen Reaktionen mit H2-Molekülen beobachtet werden können.

Für ihr Experiment wählten die Forscher eine sehr einfache chemische Reaktion, die Umwandlung von Wasserstoff (H) und Deuterwasserstoff (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 auch bei zwei verschiedenen Kollisionsgeometrien kollidieren – eine, bei der die chemische Bindung parallel zur Relativgeschwindigkeit der Kollisionspartner ausgerichtet war, und eine, bei der die Bindung senkrecht ausgerichtet war.

Das Forschungsteam beobachtete erfolgreich die hypothetischen wesentlichen sterischen Effekte, während es quantendynamische Berechnungen verwendete, um ihre Beobachtungen auf unkomplizierte Weise zu analysieren. Sie fanden heraus, dass, wenn zwei Wellen zusammen eine größere Welle in der senkrechten Konfiguration erzeugen, dies eine wichtige Rolle bei den beobachteten sterischen Effekten spielt. Je nach Richtung der HD-Bindungsachse änderte sich die chemische Reaktion drastisch.

Die Beobachtungen und das zugrunde liegende theoretische Verständnis öffnen die Tür zu einer neuen Möglichkeit, chemische Reaktionen zu kontrollieren.

Der nächste Schritt für das Team wird darin bestehen, sein Spiel zu intensivieren, indem es diese Forschung auf kompliziertere Reaktionen ausdehnt, die sowohl in Bezug auf die Durchführung von Experimenten als auch auf der theoretischen Seite viel herausfordernder sein werden. Das ultimative Ziel ist die Entwicklung präziserer und effektiverer Methoden zur Steuerung chemischer Reaktionen auf breiter Front, nicht nur mit den einfachsten Molekülen.