Fysiker som arbetar med Roland Wester vid universitetet i Innsbruck har undersökt om och hur kemiska reaktioner kan påverkas av riktad vibrationscitation av reaktanterna. De kunde visa att excitation med en laserstråle inte påverkar effektiviteten av en kemisk utbytesreaktion och att den exciterade molekylgruppen endast fungerar som åskådare i reaktionen.

En ofta använd reaktion inom organisk kemi är nukleofil substitution. Bland annat, det spelar en viktig roll i syntesen av nya kemiska föreningar eller för biomolekyler i lösning och är därför av stor industriell betydelse. I denna reaktion, laddade partiklar stöter på molekyler och en molekylär grupp ersätts av en annan. Under en lång tid, vetenskapen har försökt reproducera dessa processer vid gränssnittet mellan kemi och fysik i laboratoriet och förstå dem på atomnivå. Teamet som leds av experimentell fysiker Roland Wester vid Institute of Ion Physics and Applied Physics vid University of Innsbruck är en av världens ledande forskargrupper inom detta område.

Proton Exchange Reaction förstärkt

I ett specialkonstruerat experiment, fysikerna från Innsbruck kolliderade de laddade partiklarna med molekyler i vakuum och undersökte reaktionsprodukterna. För att avgöra om den riktade vibrationsexcitationen hade en inverkan på en kemisk reaktion, forskarna använde en laserstråle som upphetsade en vibration i molekylen. I experimentet, negativt laddade fluorjoner (F-) och metyljodidmolekyler (CH3I) användes. Vid kollisionen, på grund av utbyte av en jodbindning med en fluorbindning, en metylfluoridmolekyl och en negativt laddad jodjon bildades. Innan partiklarna möttes, laser-exciterade kol-väte-sträckningsvibrationer i molekylen.

"Våra mätningar visar att laserexcitationen inte förbättrar utbytesreaktionen, "säger den deltagande forskaren Jennifer Meyer." Väteatomerna verkar bara titta på reaktionen. "Resultatet styrks av observationen att en konkurrerande reaktion kraftigt ökar. I denna andra protonbytesreaktion, en väteatom slits från metyljodidmolekylen och vätefluorid (HF) bildas. "Vi låter de två arterna kollidera 20 gånger per sekund, lasern appliceras vid varannan kollision, och vi upprepar processen miljontals gånger, "förklarar Meyer." När lasern bestrålas, denna protonutbytesreaktion förstärks drastiskt. "Teoretiska kemister från University of Szeged i Ungern och University of New Mexico i USA har ytterligare stöttat experimentella resultat från Innsbruck med hjälp av datasimuleringar.

Vid högprecisionsundersökningar av kemiska processer, bara den enklaste modellen, reaktionen mellan en atom och en diatomisk molekyl, har studerats. "Här, alla partiklar är oundvikligen involverade i reaktionen. Det finns inga observatörer ", säger Roland Wester. "Systemet som vi nu studerar är så stort att observatörer dyker upp. Det är dock fortfarande tillräckligt litet för att kunna studera dessa observatörer mycket exakt." För stora molekyler, det finns många partiklar som inte är direkt involverade i reaktionen. Utredningen av deras roll är ett av forskarnas långsiktiga mål. De vill också förfina det nuvarande experimentet för att avslöja ytterligare möjliga subtila effekter.

Laserstyrd kemi

Frågan om vissa reaktioner kan intensifieras genom riktad excitation av enskilda molekylära grupper är också en viktig övervägande. "Om du förstår något, du kan också utöva kontroll, "summerar Roland Wester." I stället för att stimulera en reaktion genom värme, det kan vara vettigt att bara stimulera enskilda grupper av molekyler för att uppnå en specifik reaktion, "tillägger Jennifer Meyer. Detta kan undvika konkurrerande reaktionsprocesser som är ett vanligt problem inom industrikemi eller biomedicinsk forskning. Ju mer exakt kontrollen över den kemiska reaktionen är, ju mindre avfall som produceras och desto lägre kostnader.

Den aktuella artikeln har publicerats i tidningen Vetenskapliga framsteg . Forskningen finansierades av, bland andra, den österrikiska vetenskapsfonden FWF och den österrikiska vetenskapsakademin.