Atomare Partnerwahl unter der Lupe

Viele chemische Reaktionen sind eine Abfolge von sehr komplexen Prozessen, die bis heute nicht vollständig verstanden werden. Mit Labor­experimenten versucht Roland Wester vom Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik der Universität Innsbruck einen neuen Blick auf solche Reaktionen zu werfen und deren Dynamiken besser zu erfassen. Wester baute dazu ein einzigartiges Experiment, mit dem Ionen und Moleküle zur Reaktion gebracht und dabei beobachtet werden können. Seinem Team ist es so erstmals gelungen, die atomare Dynamik der sogenannten nukleophilen Substitutions­reaktion exakt zu beschreiben.

Ein Team der Arbeitsgruppe um den Nachwuchsforscher Eduardo Carrascosa untersuchte nun organische Verbindungen, an deren zentralem Kohlenstoff­atom mehrere Methyl­gruppen gebunden sind. In einer Vakuum­kammer brachten die Forscher diese Moleküle mit geladenen Teilchen aus der chemischen Gruppe der Halogene, wie Fluor, Iod oder Chlor, zur Kollision. „Das Spannende an diesem Experiment ist, dass nicht vorhersehbar ist, welche von zwei chemischen Reaktionen dabei stattfinden wird“, sagt Roland Wester. Entweder das Ion bindet an das Molekül und dieses stößt das bisher gebundene Halogenatom ab (nukleo­phile Substitutions­reaktion) oder das Ion schlägt ein Wasserstoffatom aus der Methyl­gruppe und fliegt damit davon (Eliminierungs­reaktion). „Die beiden Reaktionen sind im Wettstreit“, erklärt der Physiker. Bei der Synthese von chemischen Verbindungen kommt diese Eigenschaft ungelegen, will man doch das Ergebnis einer Reaktion meistens sehr genau kontrollieren.

Mit der Apparatur von Roland Wester lässt sich sehr genau beobachten, welche Reaktion bei einer Kollision abgelaufen ist. Die Physiker erfassen dazu den Winkel und die Geschwindigkeit, mit der die Ionen auf einem Detektor auftreffen. „Wir können schon in den Rohdaten sehen, wie die beiden Reaktions­typen über eine Vielzahl von Messungen verteilt sind“, erzählt Eduardo Carrascosa. Dabei zeigt sich, dass bei größeren Molekülen die Eliminierungs­reaktion die Überhand gewinnt und die Substitutions­reaktion irgendwann verschwindet. Während bisher nur indirekte Antworten auf diese Fragestellung möglich waren, präsentieren die Innsbrucker Physiker nun erstmals Daten aus direkten Beobachtungen. „Möglich war dieses Experiment, weil wir unsere Methode laufend verfeinert haben und so über viele Wochen stabile Messungen durchführen können“, sagt die beteiligte Forscherin Jennifer Meyer.

Die Forscher um ERC-Preisträger Roland Wester können mit ihrer Methode die chemischen Beziehungs­spiele auf atomarer Ebene sehr genau verfolgen. Sie wollen als Nächstes untersuchen, ob der Wettstreit zwischen den beiden Reaktions­typen durch die Anregung einzelner Atome am Molekül beeinflusst werden kann. „Wir wollen mögliche Wege aufzeigen, wie dieser Prozess gezielt gesteuert werden kann“, sagt Roland Wester. „Dies könnte für die chemische Synthese äußerst hilfreich sein.“ Theoretische Beiträge steuerte ein Team um William L. Hase von der Texas Tech University in den USA bei.

U. Innsbruck / DE