Chemische relaties games uiteengevallen

Natuurkundigen onder leiding van Roland Wester van de Universiteit van Innsbruck hebben in het laboratorium concurrentie waargenomen tussen twee belangrijke reactiemechanismen in de organische chemie. Het gedetailleerde onderzoek van de reactiedynamiek van een reactieverbinding met negen atomen is tot op heden uniek. Door dit te doen, gaan wetenschappers vooruit op een schaal die toepassingen op veel gebieden van de chemie mogelijk maakt.

Door middel van laboratoriumexperimenten probeert tweevoudig ERC-laureaat Roland Wester van het Instituut voor Ionische en Toegepaste Natuurkunde aan de Universiteit van Innsbruck een nieuwe kijk op chemische reacties te werpen en hun dynamiek beter te begrijpen. Interacties tussen kleine moleculen worden tegenwoordig goed begrepen. Zodra meer dan vier atomen zijn opgenomen, wordt het voor zowel theorie als experiment moeilijk om het verloop van de reactie in detail te beschrijven. Roland Wester en zijn team hebben een uniek experiment gebouwd waarin moleculen kunnen interageren met ionen en deze kunnen monitoren. Voor het eerst zijn wetenschappers erin geslaagd de atomaire dynamica van de zogenaamde nucleaire substitutiereactie nauwkeurig te beschrijven. Een onderzoeksgroep onderzocht enkele jaren geleden de concurrentie tussen twee chemische reacties in organische verbindingen. In een vacuümkamer brachten de onderzoekers deze deeltjes in botsing met geladen deeltjes uit de chemische groep van halogenen, zoals fluor, jodium en chloor. Voor het eerst heeft directe waarneming aangetoond dat bij grotere moleculen de verwijderingsreactie de overhand krijgt en de substitutiereactie op een gegeven moment verdwijnt.

Hoge dimensionale interactiedynamiek

Tot nu toe was niet bekend wat er zou gebeuren in het groottebereik waar beide interacties even belangrijk zijn. Om dit te onderzoeken was verder theoretisch werk nodig, dat de afgelopen jaren is uitgevoerd door onderzoekers onder leiding van Gábor Czakó van de Universiteit van Szeged, Hongarije. Ze berekenden de zogenaamde Born-Oppenheimer oppervlaktepotentiaal, waarmee het verloop van de chemische reactie van een 8-atoommolecuul met een halogeenion tot in detail kan worden beschreven. Het is opmerkelijk dat de onderzochte reactie plaatsvindt in 21 dimensies. Het theoretisch gedefinieerde potentiële landschap geeft informatie over hoe individuele atomen tijdens een chemische reactie in deze hoogdimensionale ruimte bewegen. Met dit in gedachten waren de Innsbruck-wetenschappers die samenwerkten met Eduardo Carrascosa, Jennifer Meyer en Roland Wester in staat om een ​​zeer nauwkeurige voorspelling te doen van de ruimtelijke richting waarin de reactieproducten zouden wegvliegen in hun experiment. Het meet de hoek en snelheid waarmee de ionen de detector raken. “En uit onze gegevens blijkt dat we precies hebben gemeten wat de theorie heeft berekend zonder de experimentele gegevens te kennen”, zegt Wester blij. “Met zoveel atomen en dus zo hoog in dimensies is dat nog niet gelukt.”
Zo hebben wetenschappers de chemische reactie uitgebreid beschreven, waarbij twee verschillende mechanismen van de reactie optreden, theoretisch en experimenteel. Met dit werk, dat nu is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Chemistry, komen de wetenschappers van Innsbruck op het gebied van het aantal betrokken atomen voor gedetailleerd onderzoek van de reactiedynamiek, wat toepassingen op veel gebieden van complexe chemische reacties mogelijk maakt.