Voor het eerst herschikten scheikundigen atoombindingen in een enkel molecuul

Als scheikundigen auto’s bouwen, vullen ze een fabriek met auto-onderdelen, steken die in brand en zeven er stukjes as uit die nu vaag op een auto lijken.

Als je te maken hebt met auto-onderdelen ter grootte van een atoom, is dit een volkomen redelijk proces. Chemici zoeken echter naar manieren om afval te verminderen en reacties verfijnder te maken.

Chemische technologie is een stap verder gegaan, aangezien onderzoekers van de Universiteit van Santiago de Compostela in Spanje, de Universiteit van Regensburg in Duitsland en IBM Research Europe een enkel molecuul dwongen om met een kleine inspanning een reeks transformaties te ondergaan.

Doorgaans winnen scheikundigen precisie in reacties door parameters zoals pH aan te passen en beschikbare protondonoren toe te voegen of te verwijderen om de manier te beheren waarop moleculen elektronen kunnen delen of uitwisselen om hun bindingen te vormen.

“Op deze manier worden de reactieomstandigheden echter zo veranderd dat de onderliggende mechanismen die de selectiviteit bepalen vaak ongrijpbaar blijven”, Opmerking van de onderzoekers: In hun rapport gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappen.

Met andere woorden, de complexiteit van de krachten op het werk die een groot organisch molecuul duwen en trekken, kan het moeilijk maken om een ​​nauwkeurige meting te krijgen van wat er bij elke binding gebeurt.

Het team begon met een stof genaamd 5,6,11,12-tetrachloortetraceen (met de formule C18H8Cl4) – een op koolstof gebaseerd molecuul dat eruitziet als een rij van vier honingraatcellen omringd door vier chlooratomen die ronddraaien als hongerige bijen.

Nadat ze een dunne laag van het materiaal op een koud koperen stuk met een zoutschil hadden gelijmd, verdreven de onderzoekers de chloorbijen, waardoor een handvol prikkelbare koolstofatomen achterbleven aan ongepaarde elektronen in een reeks verwante structuren.

Eén molecuul wordt gereconstitueerd in isomeren (Alabugin & Hu, Science, 2022)

Twee van deze elektronen in sommige van de structuren maakten gelukkig opnieuw verbinding met elkaar, waardoor de algehele honingraatvorm van het molecuul werd hervormd. Het tweede paar was ook enthousiast om niet alleen met elkaar te paren, maar met elk ander beschikbaar elektron dat hun kant op zou kunnen bellen.

Deze oscillerende structuur is meestal van korte duur omdat de resterende elektronen ook met elkaar paren. Maar de onderzoekers ontdekten dat dit specifieke systeem geen gewoon systeem was.

Met een lichte inspanning van de adem van een atoom ter grootte van een vee, toonden ze aan dat ze een enkel molecuul konden dwingen om dit tweede elektronenpaar op zo’n manier te geleiden dat de vier cellen uit de lijn zouden worden getrokken in wat bekend staat als een gebogen alkeen .

Deze elektronen trilden met een iets lagere kracht, waardoor de structuur op een heel andere manier werd vervormd dan wat bekend staat als een cyclobutadieenring.

Elk product werd vervolgens teruggebracht naar zijn oorspronkelijke staat met een puls van elektronen, klaar om op elk moment opnieuw te worden omgedraaid.

Door een enkel molecuul te dwingen om in verschillende vormen, of isomeren, te draaien met behulp van spanningen en microstromen, kunnen onderzoekers inzicht krijgen in het gedrag van zijn elektronen, de stabiliteit en voorkeursconfiguraties van organische verbindingen.

Van daaruit is het misschien mogelijk om de zoektocht naar katalysatoren die een grootschalige interactie van een groot aantal moleculen in één richting kunnen veroorzaken, te verminderen, waardoor de reactie specifieker wordt.

Haar eerdere studies Soortgelijke methoden worden gebruikt om de herconfiguratie van individuele moleculen te visualiseren, en zelfs manipulatie De afzonderlijke stappen van een chemische reactie. We bouwen nu aan nieuwe manieren om de bindingen van moleculen te wijzigen om isomeren te vormen die normaal niet gemakkelijk te verwisselen zouden zijn.

Onderzoek als dit helpt niet alleen om de chemie nauwkeuriger te maken, maar biedt ingenieurs ook scherpe nieuwe gereedschappen voor machinale bewerking op nanoschaal, waarbij koolstofstructuren worden vervalst tot exotische vormen die niet haalbaar zijn in de gewone chemie.

Dit onderzoek is gepubliceerd in Wetenschappen.