Kemiska reaktioner skildras vanligtvis som övergångar från reaktanter till produkter. Sådana reaktioner involverar emellertid många molekyler, och de enskilda molekylerna själva genomgår ofta förekommande strukturella förändringar när de omvandlas från reaktanterna till produkterna.
Även i de mest enkla kemiska reaktionerna är de faktiska observerbara förändringarna som inträffar under reaktionen mycket snabbare och mycket mer komplexa än vad som kan observeras med någon befintlig teknik - liknande hur snabbt rörliga objekt verkar suddiga i bilder tagna med en långsam slutarhastighet .
En forskargrupp i Japan, ledd av professor Tamiki Komatsuzaki vid Institute for Chemical Reaction Design and Discovery (ICReDD), Hokkaido University, har utvecklat ett ramverk som korrekt beskriver hur första ordningens reaktioner uppträder beroende på tidsintervallet som används för att mäta reaktionen . Deras arbete beskrevs i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences .
"Under en reaktion genomgår atomerna i reaktanterna och produkterna en serie strukturella omarrangemang, eller isomerisering, tills reaktionen är fullständig", förklarar Tamiki. "Den hastighet med vilken dessa isomeriseringar sker betyder att vi vanligtvis bara får en förenklad förståelse av processen vid en given punkt, genom en process som kallas grovkornig."
Yutaka Nagahata, första författare till studien, säger:"Vi formulerade en grovkornig process som uppfyller "exakta klumpningsvillkor" - den exakta matchningen av en förenklad version av en ekvation med dess ursprungliga detaljerade motsvarighet, en teori som föreslagits under ett halvt sekel sedan – genom att fokusera på observationsintervall, som kan ses som "slutarhastigheten" för en vetenskaplig observation.
"För att anta denna matchning formulerade vi ett kriterium för att det statistiska beteendet hos stabila molekylära former (isomerer) inte kan särskiljas som en funktion av observation av 'slutarhastighet'."
Teamet identifierade viktiga observationsintervall där olika molekylära former "suddar ihop" och systemet verkar bli enklare. De skapade ett "systematiskt diagram" som visar hur reaktionsprocessen framstår som mer och mer förenklad när observationsintervallet ökar, för att så småningom framstå som en enstegsprocess (reaktanter som direkt förändras till produkter) med långa observationsintervall.
Genom att använda detta "systematiska diagram" är det möjligt att omedelbart bestämma oskiljbara grupper och erhålla hastighetsekvationen över grupperna genom att tillämpa utvecklad exakt klumpning.
"När vi utvecklade exakt grovkornighet har vi hoppat över nuvarande approximationsteorier, som har många utelämnanden som gör dem ganska felaktiga", säger professor Mikito Toda vid Graduate School of Information Science, University of Hyogo, och en medförfattare till studera.
Teamet använde Claisen-omarrangeringsreaktionen av allylvinyleter för att visa att exakt grovkornighet kunde stå för alla möjliga reaktionsvägar. Framtida arbete kommer att fokusera på att utvidga denna studie till andra första ordningens reaktioner. I slutändan hoppas forskarna att deras arbete kommer att ge ett matematiskt stöd för teorin om övergångstillstånd.
Mer information: Komatsuzaki, Tamiki, En omsluten representation av tidsskalshierarkier i första ordningens reaktionsnätverk, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2317781121
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av Institute for Chemical Reaction Design and Discovery (ICReDD)
