Natuurkundigen die samenwerken met Roland Wester aan de Universiteit van Innsbruck hebben onderzocht of en hoe chemische reacties kunnen worden beïnvloed door gerichte vibratie-excitatie van de reactanten. Ze konden aantonen dat excitatie met een laserstraal de efficiëntie van een chemische uitwisselingsreactie niet beïnvloedt en dat de geëxciteerde moleculaire groep alleen als toeschouwer in de reactie fungeert.

Een veelgebruikte reactie in de organische chemie is nucleofiele substitutie. Onder andere, het speelt een belangrijke rol bij de synthese van nieuwe chemische verbindingen of voor biomoleculen in oplossing en is daarom van groot industrieel belang. Bij deze reactie geladen deeltjes ontmoeten moleculen en de ene moleculaire groep wordt vervangen door een andere. Voor een lange tijd, de wetenschap heeft geprobeerd deze processen op het grensvlak van scheikunde en natuurkunde in het laboratorium te reproduceren en ze op atomair niveau te begrijpen. Het team onder leiding van experimenteel fysicus Roland Wester van het Instituut voor Ionenfysica en Toegepaste Natuurkunde aan de Universiteit van Innsbruck is een van 's werelds toonaangevende onderzoeksgroepen op dit gebied.

Protonuitwisselingsreactie versterkt

In een speciaal geconstrueerd experiment, de natuurkundigen uit Innsbruck botsten de geladen deeltjes met moleculen in vacuüm en onderzochten de reactieproducten. Om te bepalen of de gerichte vibratie-excitatie een impact had op een chemische reactie, de wetenschappers gebruikten een laserstraal die een trilling in het molecuul opwekte. In het experiment, negatief geladen fluorionen (F-) en methyljodidemoleculen (CH3I) werden gebruikt. Bij de aanrijding door de uitwisseling van een jodiumbinding met een fluorbinding, een methylfluoridemolecuul en een negatief geladen jodium-ion werden gevormd. Voordat de deeltjes elkaar ontmoetten, de laser geëxciteerde koolstof-waterstof uitrekkende trillingen in het molecuul.

"Onze metingen tonen aan dat de laserexcitatie de uitwisselingsreactie niet verbetert, ", zegt deelnemende wetenschapper Jennifer Meyer. "De waterstofatomen lijken gewoon naar de reactie te kijken." Het resultaat wordt onderbouwd door de waarneming dat een concurrerende reactie sterk toeneemt. In deze andere protonenuitwisselingsreactie, een waterstofatoom wordt uit het methyljodidemolecuul gescheurd en waterstoffluoride (HF) wordt gevormd. "We laten de twee soorten 20 keer per seconde botsen, de laser wordt toegepast bij elke tweede botsing, en we herhalen het proces miljoenen keren, " legt Meyer uit. "Telkens wanneer de laser wordt bestraald, deze protonenuitwisselingsreactie wordt drastisch versterkt." Theoretische chemici van de Universiteit van Szeged in Hongarije en de Universiteit van New Mexico in de VS hebben de experimentele resultaten van Innsbruck verder ondersteund met behulp van computersimulaties.

Bij zeer nauwkeurig onderzoek van chemische processen, alleen het eenvoudigste model, de reactie van een atoom met een diatomisch molecuul, is bestudeerd. "Hier, alle deeltjes zijn onvermijdelijk bij de reactie betrokken. Er zijn geen waarnemers", zegt Roland Wester. "Het systeem dat we nu bestuderen is zo groot dat waarnemers verschijnen. Toch is het nog klein genoeg om deze waarnemers heel precies te kunnen bestuderen." Voor grote moleculen, er zijn veel deeltjes die niet direct bij de reactie betrokken zijn. Het onderzoeken van hun rol is een van de langetermijndoelen van de onderzoekers. Ze willen ook het huidige experiment verfijnen om verdere mogelijke subtiele effecten te ontdekken.

Lasergestuurde chemie

Ook de vraag of bepaalde reacties kunnen worden geïntensiveerd door gerichte excitatie van individuele moleculaire groepen is een belangrijke overweging. "Als je iets begrijpt, je kunt ook controle uitoefenen, ", vat Roland Wester samen. "In plaats van een reactie te stimuleren door middel van warmte, het kan zinvol zijn om alleen individuele groepen moleculen te stimuleren om een ​​specifieke reactie te bereiken, ", voegt Jennifer Meyer toe. Dit kan concurrerende reactieprocessen vermijden die een veelvoorkomend probleem zijn in industriële chemie of biomedisch onderzoek. Hoe nauwkeuriger de controle over de chemische reactie, hoe minder afval er wordt geproduceerd en hoe lager de kosten.

Het huidige artikel is gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang . Het onderzoek werd gefinancierd door, onder andere, het Oostenrijkse Wetenschapsfonds FWF en de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen.