Chemie mit sortierten Molekülen - Uni Basel gelingen Einsichten in fundamentale Reaktions-Mechanismen


Verschiedene 3-Aminophenol-Konformere in einem Molekülstrahl werden in einem elektrischen Feld räumlich getrennt und zur gezielten Reaktion mit Kalziumionen gebracht, die durch Kühlung mit Laserlicht im Raum lokalisiert werden.

Die vollständige Kontrolle chemischer Reaktionen ist ein grosses Ziel in der Chemie. Forschern der Universität Basel und des Hamburger Center for Free-Electron Laser Science ist es nun erstmals gelungen, einzelne Formen eines Moleküls mit elektrischen Feldern auszusortieren und gezielt zur Reaktion zu bringen. Durch Analyse der Reaktions-Geschwindigkeiten konnte ein Zusammenhang zwischen der räumlichen Struktur der aussortierten Moleküle und ihrer chemischen Reaktivität hergestellt werden. Die Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift «Science» veröffentlicht.

Die Reaktivität einer chemischen Verbindung, also ihre Fähigkeit in einer Reaktion umgesetzt zu werden, wird massgeblich durch die Form ihrer Moleküle bestimmt. Komplexe Moleküle liegen oft in unterschiedlichen Formen vor, sogenannten Konformeren, bei denen die Bausteine des Moleküls räumlich unterschiedlich angeordnet sind. Konformere wandeln sich jedoch oft leicht ineinander um, sodass sich eine detaillierte Untersuchung dieser Effekte bislang als sehr schwierig gestaltete.

Die Wissenschaftler um Prof. Stefan Willitsch vom Departement Chemie der Universität Basel und Prof. Jochen Küpper vom Hamburger Center for Free-Electron Laser Science (CFEL, DESY) haben einen neuen Versuchsaufbau entwickelt, mit dem sich die Reaktivität einzelner Konformere präzise untersuchen lässt. Die Forscher erzeugten einen Strahl von Molekülen, aus dem sich in einer «molekularen Sortiermaschine» gezielt einzelne Konformere aus einer Mischung herauspicken und in eine chemische Reaktion einspeisen lassen.

Dabei machten sich die Forscher zunutze, dass durch eine Änderung der Form eines Moleküls in der Regel auch sein Dipolmoment modifiziert wird. Das Dipolmoment beschreibt, wie ein Molekül auf ein elektrisches Feld reagiert. Innerhalb der Sortiermaschine liegt nun ein ungleichmässiges elektrisches Feld vor, in dem die einzelnen Konformere unterschiedlich stark abgelenkt und somit räumlich getrennt werden.

In einem ersten Experiment trennten die Forscher zwei Konformere von 3-Aminophenol, einer gut bekannten Verbindung, die industriell breite Anwendung findet. Die beiden Konformere unterscheiden sich lediglich in der räumlichen Anordnung eines einzelnen Wasserstoffatoms. Die getrennten Konformeren wurden dann in eine Reaktionskammer gelenkt, wo sie mit elektrisch geladenen Kalziumatomen, sogenannten Ionen, in einer Falle reagierten. Die Ionen wurden dabei durch Laserlicht fast auf den absoluten Temperatur-Nullpunkt bei minus 273 Grad Celsius abgekühlt. Dadurch lokalisierten sie sich im Raum und bildeten ein ideales Zielobjekt für Reaktionen mit den getrennten Konformeren. So konnten die Forscher zeigen, dass das eine Konformer doppelt so schnell mit den Kalziumionen reagiert wie das andere, was mit den unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften der beiden Molekülformen erklärt werden konnte.

Auf diese Weise erlaubt die neue Methode, Einsichten in fundamentale Reaktionsmechanismen und die Zusammenhänge zwischen Molekülkonformation und chemischer Reaktivität, mit weitreichenden Anwendungen in der chemischen Katalyse und der Synthese neuer Moleküle.

Originalbeitrag
Yuan-Pin Chang, Karol Długołecki, Jochen Küpper, Daniel Rösch, Dieter Wild, Stefan Willitsch
Specific Chemical Reactivities of Spatially Separated 3-Aminophenol Conformers with Cold Ca+ Ions
Science 4 October 2013: Vol. 342 no. 6154 pp. 98-101 | doi: 10.1126/science.1242271

 

Quelle: Universität Basel
Bild: © Universität Basel

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