Laserstråleexcitation påvirker ikke nukleofil substitutionsreaktion

Fysikere, der arbejder sammen med Roland Wester ved universitetet i Innsbruck, har undersøgt, om og hvordan kemiske reaktioner kan påvirkes af målrettet vibrationel excitation af reaktanterne. De var i stand til at demonstrere, at excitation med en laserstråle ikke påvirker effektiviteten af ​​en kemisk udvekslingsreaktion, og at den ophidsede molekylære gruppe kun fungerer som tilskuer i reaktionen.

En hyppigt anvendt reaktion inden for organisk kemi er nukleofil substitution. Blandt andet, det spiller en vigtig rolle i syntesen af ​​nye kemiske forbindelser eller for biomolekyler i opløsning og er derfor af stor industriel betydning. I denne reaktion, ladede partikler støder på molekyler, og en molekylær gruppe erstattes af en anden. I lang tid, videnskaben har forsøgt at reproducere disse processer i grænsefladen mellem kemi og fysik i laboratoriet og forstå dem på atomniveau. Teamet ledet af eksperimentel fysiker Roland Wester ved Institute of Ion Physics and Applied Physics ved University of Innsbruck er en af ​​verdens førende forskningsgrupper på dette område.

Proton Exchange Reaction styrket

I et specialkonstrueret forsøg, fysikerne fra Innsbruck kolliderede de ladede partikler med molekyler i vakuum og undersøgte reaktionsprodukterne. For at afgøre, om den målrettede vibrations -excitation havde indflydelse på en kemisk reaktion, forskerne brugte en laserstråle, der ophidsede en vibration i molekylet. I forsøget, negativt ladede fluorioner (F-) og methyliodidmolekyler (CH3I) blev anvendt. I sammenstødet, på grund af udveksling af en jodbinding med en fluorbinding, et methylfluoridmolekyle og en negativt ladet iodion blev dannet. Inden partiklerne mødtes, laser-exciterede carbon-hydrogen-strækningsvibrationer i molekylet.

"Vores målinger viser, at laser -excitation ikke forbedrer udvekslingsreaktionen, "siger den deltagende videnskabsmand Jennifer Meyer." Brintatomerne ser bare ud til at se reaktionen. "Resultatet underbygges af observationen af, at en konkurrerende reaktion stærkt stiger. I denne anden protonudvekslingsreaktion, et hydrogenatom rives ud af methyliodidmolekylet, og der dannes hydrogenfluorid (HF). "Vi lader de to arter kollidere 20 gange i sekundet, laseren påføres ved hver anden kollision, og vi gentager processen millioner af gange, "forklarer Meyer." Når laseren bestråles, denne protonudvekslingsreaktion forstærkes drastisk. "Teoretiske kemikere fra University of Szeged i Ungarn og University of New Mexico i USA har yderligere understøttet de eksperimentelle resultater fra Innsbruck ved hjælp af computersimuleringer.

Ved højpræcisionsundersøgelser af kemiske processer, kun den enkleste model, reaktionen af ​​et atom med et diatomisk molekyle, er blevet undersøgt. "Her, alle partikler er uundgåeligt involveret i reaktionen. Der er ingen observatører ", siger Roland Wester. "Det system, vi nu studerer, er så stort, at observatører vises. Det er dog stadig lille nok til at kunne studere disse observatører meget præcist." For store molekyler, der er mange partikler, der ikke er direkte involveret i reaktionen. Undersøgelsen af ​​deres rolle er et af forskernes langsigtede mål. De ønsker også at forfine det nuværende eksperiment for at afdække yderligere mulige subtile effekter.

Laserstyret kemi

Spørgsmålet om, hvorvidt visse reaktioner kan intensiveres ved målrettet excitation af individuelle molekylære grupper, er også en vigtig overvejelse. "Hvis du forstår noget, du kan også udøve kontrol, "opsummerer Roland Wester." I stedet for at stimulere en reaktion gennem varme, det kan være fornuftigt kun at stimulere individuelle grupper af molekyler til at opnå en specifik reaktion, "tilføjer Jennifer Meyer. Dette kan undgå konkurrerende reaktionsprocesser, der er et almindeligt problem inden for industriel kemi eller biomedicinsk forskning. Jo mere præcis kontrollen med den kemiske reaktion er, jo mindre affald der produceres og jo lavere omkostninger.

Det aktuelle papir er blevet offentliggjort i tidsskriftet Videnskab fremskridt . Undersøgelsen blev finansieret af, blandt andre, den østrigske videnskabsfond FWF og det østrigske videnskabsakademi.