Gebogene Alkin- (links), Diradikal- (Mitte) und Cyclobutadienmoleküle unter Rasterkraftmikroskopie. (Leo Gross/IBM) Wenn Chemiker Autos bauten, füllten sie eine Fabrik mit Autoteilen, zündeten sie an und siebten aus der Asche Stücke, die jetzt vage wie ein Auto aussahen.
Wenn es sich um Autoteile in der Größe von Atomen handelt, ist dies ein völlig vernünftiger Prozess. Dennoch sehnen sich Chemiker nach Möglichkeiten, den Abfall zu reduzieren und Reaktionen weitaus präziser zu gestalten.
Die Chemietechnik hat einen Schritt nach vorne gemacht: Forscher der Universität Santiago de Compostela in Spanien, der Universität Regensburg in Deutschland und IBM Research Europe zwingen ein einzelnes Molekül mit einem winzigen Spannungsstoß zu einer Reihe von Transformationen.
Normalerweise gewinnen Chemiker Präzision bei Reaktionen, indem sie Parameter wie den pH-Wert anpassen und verfügbare Protonendonatoren hinzufügen oder entfernen, um die Art und Weise zu steuern, wie Moleküle Elektronen teilen oder austauschen, um ihre Bindungen zu bilden.
„Dadurch werden die Reaktionsbedingungen jedoch so stark verändert, dass die grundlegenden Mechanismen, die die Selektivität steuern, oft unklar bleiben.“ stellen die Forscher fest in ihrem in der Zeitschrift veröffentlichten Bericht Wissenschaft.
Mit anderen Worten: Die Komplexität der Kräfte, die ein großes organisches Molekül schieben und ziehen, kann es schwierig machen, ein genaues Maß dafür zu erhalten, was an jeder einzelnen Bindung geschieht.
Das Team begann mit einer Substanz namens 5,6,11,12-Tetrachlortetracen (mit der Formel C18H8Cl4) – einem kohlenstoffbasierten Molekül, das wie eine Reihe von vier Wabenzellen aussieht, flankiert von vier Chloratomen, die wie hungrige Bienen herumschweben.
Indem sie eine dünne Schicht des Materials auf ein kaltes, mit Salz verkrustetes Stück Kupfer klebten, vertrieben die Forscher die Chlorbienen und ließen eine Handvoll erregbarer Kohlenstoffatome zurück, die ungepaarte Elektronen in einer Reihe verwandter Strukturen festhielten.
Ein einzelnes Molekül, das in Isomere umkonfiguriert wird (Alabugin & Hu, Science, 2022)
Zwei dieser Elektronen in einigen Strukturen verbanden sich glücklich wieder miteinander und konfigurierten die allgemeine Wabenform des Moleküls neu. Das zweite Paar wollte sich nicht nur untereinander paaren, sondern auch mit jedem anderen verfügbaren Elektron, das ihnen entgegenschwirren könnte.
Normalerweise wäre diese wackelige Struktur nur von kurzer Dauer, da auch die verbleibenden Elektronen miteinander verschmelzen. Die Forscher stellten jedoch fest, dass es sich bei diesem speziellen System nicht um ein gewöhnliches handelte.
Sie zeigten, dass sie mit einem sanften Spannungsstoß von einem atomgroßen Viehtreiber ein einzelnes Molekül dazu zwingen konnten, das zweite Elektronenpaar so zu verbinden, dass die vier Zellen in einem sogenannten gebogenen Alkin aus der Ausrichtung gezogen wurden.
Bei etwas weniger kräftigem Schütteln bildeten diese Elektronen ein anderes Paar und verzerrten die Struktur auf völlig andere Weise zu einem sogenannten Cyclobutadienring.
Jedes Produkt wurde dann mit einem Elektronenimpuls wieder in den ursprünglichen Zustand zurückversetzt und war jederzeit bereit, sich wieder umzudrehen.
Indem die Forscher ein einzelnes Molekül mithilfe präziser Spannungen und Ströme dazu zwingen, sich in verschiedene Formen oder Isomere zu verformen, könnten sie Einblicke in das Verhalten seiner Elektronen sowie die Stabilität und bevorzugte Konfiguration organischer Verbindungen gewinnen.
Von dort aus könnte es möglich sein, die Suche nach Katalysatoren einzuschränken, die eine groß angelegte Reaktion unzähliger Moleküle in eine Richtung treiben und die Reaktion spezifischer machen könnten.
Frühere Studien haben ähnliche Methoden verwendet die Rekonfigurationen einzelner Moleküle sichtbar zu machen und sogar manipulieren einzelne Schritte einer chemischen Reaktion. Jetzt entwickeln wir neue Methoden, um die Bindungen von Molekülen so zu verändern, dass Isomere entstehen, die normalerweise nicht so einfach auszutauschen wären.
Forschung wie diese trägt nicht nur dazu bei, die Chemie präziser zu machen, sondern stellt Ingenieuren auch scharfe neue Werkzeuge zur Verfügung, um Maschinen im Nanomaßstab herzustellen und Kohlenstoffgerüste in exotische Formen zu verbiegen, die mit gewöhnlicher Chemie nicht möglich wären.
Diese Forschung wurde veröffentlicht in Wissenschaft .