Ny billig og giftfri metode til fremstilling af benzenringe

Kemiske synteser i væsker og gasser foregår i tredimensionelt rum. Tilfældige sammenstød mellem molekyler skal resultere i noget nyt på ekstremt kort tid. Men der er en anden måde:På en guldoverflade under ultrahøjvakuumforhold kan molekyler, der ligger stille ved siden af ​​hinanden, fås til at kombineres - selv dem, der aldrig ville ønske at reagere med hinanden i en væske. Forskere ved Empa har nu opdaget en sådan reaktion. Det bedste af det hele er, at eksperterne kan "tage billeder" og se hvert trin i reaktionen.

I kemi er der strukturer, der er særligt stabile, såsom den såkaldte "benzenring" bestående af seks indbyrdes forbundne carbonatomer. Sådanne ringe danner det strukturelle grundlag for grafit og grafen, men de forekommer også i mange farvestoffer - såsom jeansfarvestoffet indigo og i mange lægemidler såsom aspirin.

Når kemikere ønskede at bygge sådanne ringe på en målrettet måde, brugte de såkaldte koblingsreaktioner, som normalt bærer navnet på deres opfindere:for eksempel Diels-Alder-reaktionen, Ullmann-reaktionen, Bergman-cykliseringen eller Suzuki-koblingen. Nu er der endnu en, der endnu ikke har et navn. Det blev opdaget af et hold fra Empa sammen med Max Planck Institute for Polymer Research i Mainz. Deres relaterede forskning er blevet offentliggjort i Nature Synthesis og Nature Reviews Chemistry .

Alt i det tørre

Empa-forskerne undlod væsker i deres kemiske syntese og fastgjorde i stedet udgangsmaterialerne til en guldoverflade i et ultrahøjt vakuum. Udgangsmaterialet (diisopropyl-p-terphenyl) kan iagttages hvile roligt i det afkølede scanningstunnelmikroskop, før forskerne skruer op for varmen.

Skru op for varmen – bevægelse på dansegulvet

Ved stuetemperatur sker der endnu intet, men ved omkring 200 grader Celsius sker der en fantastisk reaktion, som aldrig ville ske i væsker:De to isopropylgrupper – som normalt er fuldstændig inaktive ud fra et kemisk synspunkt – går sammen og danner en benzenring. Årsagen:på grund af den faste "adhæsion" på guldoverfladen løsnes først et brintatom og frigives derefter fra molekylet. Dette skaber kulstofradikaler, der venter på nye partnere. Og der er mange partnere på guldoverfladen. Ved 200 grader Celsius vibrerer molekylerne og udfører hurtige piruetter - der er meget bevægelse på det gyldne dansegulv. Så det, der hører sammen, hænger snart sammen.

Og endnu en gang alt i slowmotion

Matchmaking på den gyldne overflade har to fordele. For det første er der ikke behov for tvang:reaktionen foregår uden at medierende borsyrer eller halogenatomer flyver væk. Det er en kobling, der kun involverer mættede kulbrinter. Udgangsmaterialerne er billige og nemme at få fat i, og der er ingen giftige biprodukter.

Den anden fordel er, at forskerne kan se hvert trin i reaktionen - en anden ting, der ikke er mulig med klassisk, "flydende" kemi. Empa-holdet skruer ganske enkelt gradvist op for opvarmningen af ​​guldoverfladen. Ved 180 grader Celsius har molekylerne kun forbundet den ene arm med deres naboer, den anden stikker stadig frit ud i dansegulvet. Hvis man nu køler guldoverfladen ned inde i et scanningstunnelmikroskop, kan man se og "fotografere" molekylerne lige før de "giftes bort". Det er præcis, hvad forskerne gjorde. Således kan reaktionsmekanismen følges i form af "snapshots."

Muligheder for en 'ny' kemi

Forskerne og deres kolleger forventer, at der kommer to slags effekter ud af det aktuelle arbejde. For det første kunne "snapshot-metoden" også være velegnet til at belyse helt andre reaktionsmekanismer. Hos Empa udvikles instrumenter, der bruger ultrakorte laserimpulser i et scanningstunnelmikroskop til at belyse sådanne kemiske reaktioner trin for trin. Dette kunne give yderligere indsigt i kemiske reaktioner og snart ryste mange gamle teorier op.

Forskningsresultaterne "fra det tørre" kunne dog også være nyttige til at videreudvikle "flydende" kemi. Hidtil er de fleste af de reaktioner, der er dokumenteret i litteraturen, kommet fra klassisk flydende kemi, og scanningprobeforskere har været i stand til at genskabe disse eksperimenter. I fremtiden kan visse reaktioner også designes i scanningstunnelmikroskopet og senere overføres til flydende eller gasformig kemi. + Udforsk yderligere

Dissociationsmekanisme for oxygenmolekyler på en sølvoverflade afsløret