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Austauschreaktion fast wie in einem Film detailgenau beobachtet © The Royal Society of Chemistry
Austauschreaktion fast wie in einem Film detailgenau beobachtet © The Royal Society of Chemistry

APA

Chemische Reaktionen lassen sich mit Laser steuern - aber nicht immer

06.07.2018

Mit Wärme kann man chemische Reaktionen beschleunigen bzw. in Gang setzen. Statt aber alle Bestandteile aufzuheizen, versuchen Forscher unter dem Schlagwort "Laserkontrollierte Chemie" nur einzelne Molekülgruppen anzuregen und so bestimmte Reaktionen zu verstärken. Das geht aber nicht immer, wie Innsbrucker Physiker nun im Fachjournal "Science Advances" berichten. Sie sind dennoch zuversichtlich.

Im Mittelpunkt des Interesses des Teams um Roland Wester vom Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik der Universität Innsbruck steht die sogenannte nukleophile Substitution. Diese Reaktionen sind nicht nur interessant, weil sie von großer industrieller Bedeutung sind, etwa bei der Synthese neuer Verbindungen. Sie eignen sich im konkreten Fall auch gut als Modellsystem, "das gerade kompliziert genug ist, um eine Menge neuer Phänomene zu zeigen, aber noch so klein ist, dass man es mit den vorhandenen theoretischen und experimentellen Methoden gut handhaben kann", sagte Wester gegenüber der APA.

Im Zentrum der konkreten Substitutionsreaktion stehen Jod-Methan-Moleküle (CH3I), die mit negativ geladenen Fluor-Atomen beschossen werden. "Die Ladung des einen Teilchens sorgt dafür, dass die Kräfte zwischen den beiden Stoßpartnern viel größer werden", so Wester. Dadurch wird die Bindung zwischen dem Jod- und dem Kohlenstoff-Atom im Zentrum des Methan-Moleküls gebrochen und das Fluor kann an den Kohlenstoff binden. Als Reaktionsprodukte entstehen ein Fluormethan-Molekül und ein negativ geladenes Jod-Teilchen.

Theoretischen Vorhersagen zufolge sollte sich die Wahrscheinlichkeit für die Reaktion drastisch erhöhen, wenn man zusätzliche Energie hineinsteckt, etwa indem man die Wasserstoff-Atome mit einem Laser anregt. "Unsere Messungen zeigen aber, dass die Laseranregung die Austauschreaktion nicht verstärkt", so die beteiligte Wissenschafterin Jennifer Meyer in einer Aussendung. Offensichtlich sind die Wasserstoff-Atome nur unbeteiligte Beobachter.

Konkurrenzreaktion

Unter bestimmten Bedingungen kann es beim Zusammenstoß der Teilchen aber zu einer anderen Reaktion kommen. Dabei reißt das Fluor ein Wasserstoff-Atom, genauer ein Proton, des Methan-Moleküls mit sich. Es entsteht Fluorwasserstoff (HF) und übrig bleibt das um den Wasserstoff beraubte Molekül (CH2I).

Diese Konkurrenzreaktion findet statt, wenn man die Stoßpartner schnell genug aufeinanderprallen lässt, "oder wenn wir mit dem Laser zusätzliche Energie ins System bringen", so Wester. 20 Mal pro Sekunde lassen die Forscher die zwei Teilchen aufeinander prallen, jedes zweite Mal kommt dabei der Laser zum Einsatz - und das ganze Millionen Mal. Immer dann, wenn der Laser die Wasserstoff-Atome zum Schwingen bringt, wird die Konkurrenzreaktion verstärkt, bei der Fluorwasserstoff entsteht.

Die ursprünglich gewollte Reaktion zu Fluormethan konnte also durch Laser-Anregung der Wasserstoff-Atome nicht gezielt verstärkt werden. Die Hoffnung auf eine künftige laserkontrollierte Chemie trübt das nach Ansicht Westers dennoch nicht. "Wenn wir an etwas größere Systeme denken, wo vielleicht zwei verschiedene Reaktionspfade steuerbar sind, hoffen wir schon, mit dem Laser den jeweils gewünschten Reaktionspfad auswählen zu können", sagte der Physiker. So könnte man vielleicht konkurrierende Reaktionen vermeiden, die in der industriellen Chemie oder biomedizinischen Forschung ein häufiges Problem darstellen.

Service: http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.aas9544

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