Zeer reactieve moleculen kunnen niet lang in de natuur overleven. Als onderzoekers ze nader willen bestuderen, ze moeten ze produceren onder zeer specifieke laboratoriumomstandigheden. Vergeleken met "normale" moleculen, veel van deze kleine deeltjes hebben een onderscheidend kenmerk:ze binden zich eenvoudig met alles om hen heen en zijn daarom erg moeilijk te richten.

Onder leiding van dr. Jonas Warneke, onderzoekers van het Wilhelm Ostwald Instituut voor Fysische en Theoretische Chemie aan de Universiteit van Leipzig hebben een beslissende vooruitgang geboekt in de studie van één type zeer reactieve deeltjes. Op basis van hun onderzoek, ze begrijpen nu de "bindende voorkeuren" van deze deeltjes.

Hun onderzoek dient als basis voor het gerichte gebruik van deze zeer reactieve moleculen, bijvoorbeeld, om nieuwe moleculaire structuren te genereren of om gevaarlijk chemisch "afval" te binden en op deze manier af te voeren. De onderzoekers hebben hun bevindingen nu gepubliceerd in het tijdschrift Chemie — een Europees tijdschrift , en hun onderzoek stond op de omslag dankzij de uitstekende recensie die ze kregen.

Wat moleculen en mensen gemeen hebben?

Moleculen en mensen hebben eigenlijk veel gemeen. Er zijn mensen die lusteloos zijn en liever voor zichzelf houden, en er zijn mensen die heel actief en extravert zijn. En dan zijn er mensen die zo ontevreden zijn over hun situatie dat ze lukraak iedereen in hun omgeving aanvallen. Als je wilt dat ze zich sociaal gedragen, je moet eerst de reden voor hun aanvallen begrijpen. Chemici werken op een vergelijkbare manier met zeer reactieve verbindingen. Gezien hun uitzonderlijke reactiviteit, gerichte syntheses (de productie van een specifiek molecuul) met deze verbindingen zijn uiterst moeilijk. Als je wilt dat deze zeer reactieve verbindingen reageren met een specifiek molecuul, dit mislukt meestal omdat ze in plaats daarvan reageren met het oplosmiddel in hun omgeving. Ze binden zich met alles wat op hun pad komt. "Maar dit is, in feite, de enorme kans die deze verbindingen bieden. Ze zijn in staat om zelfs zeer niet-reactieve kleine moleculen en atomen te laten reageren op manieren die anders niet mogelijk zouden zijn geweest, ’, legt Warneke uit.

Aansturen van zeer reactieve verbindingen

Sinds een aantal jaren, onderzoekers van het Wilhelm Ostwald Instituut hebben een speciaal type zeer reactieve verbinding met twaalf booratomen onderzocht die zelfs de zeer niet-reactieve edelgassen kunnen binden. Elf booratomen hebben een bindende partner (een substituent genoemd), terwijl het twaalfde booratoom de aanval uitvoert. Hoe kunnen we deze zeer reactieve verbindingen sturen, zodat gerichte syntheses in de toekomst mogelijk zijn? Om deze vraag te beantwoorden, de onderzoekers produceerden deze zeer reactieve verbindingen in de oplosmiddelvrije en luchtloze omgeving van een massaspectrometer en isoleerden de verbindingen op zo'n manier dat er geen verbindingen in hun omgeving waren die ze konden aanvallen.

In een tweede stap, de zeer reactieve verbindingen werden selectief gevoed met reactiepartners die ze aanvielen. De onderzoekers ontdekten dat de "agressiviteit" van de verbindingen veranderde wanneer de substituenten werden gewijzigd. "Dit was in eerste instantie niet zo verwonderlijk, " zegt Warneke. "Echter, we ontdekten toen dat de neiging tot aanvallen niet alleen sterker of zwakker werd als gevolg van deze uitwisseling van atomen, maar in plaats daarvan hing het sterk af van welke reactiepartner aanwezig was." De onderzoekers konden aantonen dat de substituenten een sterke invloed hebben op de reactiviteit en de reactievoorkeuren herleiden tot een zeer specifieke chemische binding die zich in verschillende mate vormt, afhankelijk van de reactie partner.

Deze bevinding verraste de onderzoekers omdat dit type binding in de chemie vaker wordt aangetroffen bij metaalverbindingen en niet bij de bestudeerde boorverbindingen. die behoren tot de niet-metaalverbindingen. Deze hypothese werd uiteindelijk zonder redelijke twijfel bewezen door speciale experimentele en theoretische methoden die werden uitgevoerd door de onderzoeksgroep voor vroege carrières onder Warneke in samenwerking met de werkgroepen onder leiding van Prof. Dr. Knut Asmis en Prof. Dr. Ralf Tonner, beide van het Wilhelm Ostwald Instituut. De groep zet haar onderzoek voort samen met haar partners uit Wuppertal. Ze hopen op deze manier moleculen als koolmonoxide of stikstof uit de lucht te kunnen gebruiken voor gerichte syntheses. Maar Warneke zegt dat er nog een lange weg te gaan is voordat dat gebeurt.