Chemische syntheses in vloeistoffen en gassen vinden plaats in de driedimensionale ruimte. Willekeurige botsingen tussen moleculen moeten in extreem korte tijd tot iets nieuws leiden. Maar er is een andere manier:op een gouden oppervlak onder ultrahoog vacuüm kunnen moleculen die naast elkaar liggen, worden gecombineerd, zelfs die die nooit met elkaar zouden willen reageren in een vloeistof. Onderzoekers van Empa hebben nu zo'n reactie ontdekt. Het beste van alles is dat de experts "foto's kunnen maken" en elke stap van de reactie kunnen bekijken.

In de chemie zijn er structuren die bijzonder stabiel zijn, zoals de zogenaamde "benzeenring" die bestaat uit zes onderling verbonden koolstofatomen. Dergelijke ringen vormen de structurele basis voor grafiet en grafeen, maar ze komen ook voor in veel kleurstoffen, zoals de jeanskleurstof indigo en in veel medicijnen zoals aspirine.

Toen chemici dergelijke ringen gericht wilden bouwen, gebruikten ze zogenaamde koppelingsreacties, die meestal de naam van hun uitvinders dragen:bijvoorbeeld de Diels-Alder-reactie, de Ullmann-reactie, de Bergman-cyclisatie of de Suzuki-koppeling. Nu is er nog een die nog geen naam heeft. Het werd ontdekt door een team van Empa samen met het Max Planck Institute for Polymer Research in Mainz. Hun verwante onderzoek is gepubliceerd in Nature Synthesis en Natuurbeoordelingen Chemie .

Alles op het droge

De Empa-onderzoekers lieten vloeistoffen weg in hun chemische synthese en hechtten in plaats daarvan de uitgangsmaterialen aan een gouden oppervlak in een ultrahoog vacuüm. Het uitgangsmateriaal (diisopropyl-p-terfenyl) kan rustig worden waargenomen in de afgekoelde scanning tunneling microscoop voordat de onderzoekers het vuur hoger zetten.

Zet de verwarming hoger - beweging op de dansvloer

Bij kamertemperatuur gebeurt er nog niets, maar bij zo'n 200 graden Celsius vindt er een verbazingwekkende reactie plaats die nooit zou plaatsvinden in vloeistoffen:de twee isopropylgroepen - die normaal gesproken vanuit chemisch oogpunt volledig inactief zijn - vormen samen een benzeenring. De reden:door de stevige "adhesie" op het goudoppervlak wordt eerst een waterstofatoom losgemaakt en vervolgens losgemaakt van het molecuul. Hierdoor ontstaan ​​koolstofradicalen die wachten op nieuwe partners. En er zijn veel partners op het gouden oppervlak. Bij 200 graden Celsius trillen de moleculen en voeren ze snelle pirouettes uit - er is veel beweging op de gouden dansvloer. Dus wat bij elkaar hoort, komt al snel samen.

En nogmaals alles in slow motion

Matchmaking op het gouden oppervlak heeft twee voordelen. Ten eerste is er geen dwang nodig:de reactie vindt plaats zonder tussenkomst van boorzuren of wegvliegende halogeenatomen. Het is een koppeling waarbij alleen verzadigde koolwaterstoffen betrokken zijn. De uitgangsmaterialen zijn goedkoop en gemakkelijk te verkrijgen, en er zijn geen giftige bijproducten.

Het tweede voordeel is dat de onderzoekers elke stap van de reactie kunnen bekijken - iets wat niet mogelijk is met klassieke, "vloeibare" chemie. Het Empa-team verhoogt eenvoudigweg de verwarming van het gouden oppervlak geleidelijk. Bij 180 graden Celsius hebben de moleculen nog maar één arm verbonden met hun buren, de tweede steekt nog vrij uit in de dansvloer. Als men nu het gouden oppervlak in een scanning tunneling microscoop afkoelt, kan men de moleculen bekijken en 'fotograferen' net voordat ze 'uitgehuwd' worden. Dit is precies wat de onderzoekers deden. Zo kan het reactiemechanisme gevolgd worden in de vorm van "snapshots".

Kansen voor een 'nieuwe' chemie

De onderzoekers en hun collega's verwachten dat er twee soorten effecten naar voren komen uit het huidige werk. Ten eerste zou de "snapshot-methode" ook geschikt kunnen zijn om totaal verschillende reactiemechanismen op te helderen. Bij Empa worden instrumenten ontwikkeld die met ultrakorte laserpulsen in een scanning tunneling microscoop dergelijke chemische reacties stap voor stap ophelderen. Dit zou extra inzichten in chemische reacties kunnen opleveren en al snel menig oude theorie opschudden.

De onderzoeksresultaten "from the dry" kunnen echter ook nuttig zijn om de "vloeibare" chemie verder te ontwikkelen. Tot nu toe zijn de meeste reacties die in de literatuur zijn gedocumenteerd, afkomstig uit de klassieke vloeistofchemie, en onderzoekers van scanningsondes hebben deze experimenten opnieuw kunnen maken. In de toekomst kunnen bepaalde reacties ook worden ontworpen in de scanning tunneling microscoop en later worden overgebracht naar vloeibare of gasvormige chemie. + Verder verkennen

Dissociatiemechanisme van zuurstofmoleculen op een zilveren oppervlak onthuld