31.08.2022 - King Abdullah University of Science and Technology (KAUST)

Tricks steuern Reaktionen in einem einzigen Molekül

Mit den Impulsen einer atomscharfen Spitze können Forscher chemische Bindungen nach Belieben brechen und bilden

Chemische Reaktionen führen oft zu unübersichtlichen Mischungen verschiedener Produkte. Daher verbringen Chemiker viel Zeit damit, ihre Reaktionen so zu steuern, dass sie selektiver sind und bestimmte Zielmoleküle entstehen. Nun hat ein internationales Forscherteam diese Art von Selektivität erreicht, indem es einem einzelnen Molekül über eine unglaublich scharfe Spitze Spannungsimpulse zuführte.

"Die Steuerung des Verlaufs einer chemischen Reaktion in Abhängigkeit von den verwendeten Spannungsimpulsen ist beispiellos und für Chemiker sehr verlockend", sagt Shadi Fatayer von der KAUST.

Das Team verwendete ein Instrument, das Rastertunnelmikroskopie (STM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) kombiniert. Beide Techniken können die Positionen von Atomen innerhalb einzelner Moleküle mit Hilfe einer Spitze abbilden, die nur wenige Atome breit ist. Die Spannung kann aber auch dazu verwendet werden, um Bindungen innerhalb eines Moleküls aufzubrechen, so dass sich möglicherweise neue Bindungen bilden können.

"Spitzengesteuerte Reaktionen wurden schon früher durchgeführt, aber es gab keine Kontrolle über das Endprodukt", sagt Fatayer. "Die Selektivität ist hier das Schlüsselelement - je nach Polarität und Wert der Spannungsimpulse können wir nach Belieben verschiedene interne Bindungen bilden und brechen."

Die Forscher nutzten diesen Ansatz, um Tetrachlortetracen zu untersuchen, ein Molekül, das vier Chloratome enthält, die an eine Reihe von vier hexagonalen Ringen aus Kohlenstoffatomen gebunden sind. Durch Anlegen einer Spannung von etwa 3,5 V wurden zwei Chloratome entfernt und das Molekül veranlasst, sich neu anzuordnen. Durch Erhöhen der Spannung wurden die verbleibenden Chloratome entfernt, wodurch weitere Umlagerungen ausgelöst wurden, die drei verschiedene Produkte bildeten.

Das erste Produkt hat vier hexagonale Ringe, die in einem Zick-Zack-Muster angeordnet sind; das zweite hat einen zehngliedrigen Ring, der von zwei sechsgliedrigen Ringen flankiert wird; und das dritte enthält einen viergliedrigen Ring, einen achtgliedrigen Ring und zwei sechsgliedrige Ringe.

Kleine Spannungsimpulse könnten zur Umwandlung dieser Produkte verwendet werden. Durch Feinabstimmung der Spannung konnten die Forscher steuern, welche Bindungen gebrochen wurden und welches Umlagerungsprodukt entstand.

Durch die Kombination ihrer Ergebnisse mit theoretischen Berechnungen konnten die Forscher zeigen, dass die Selektivität der Methode von der Landschaft der Energiezustände abhängt, die die Moleküle einnehmen, wenn sie unterschiedliche elektrische Ladungen tragen, der so genannten Oxidationsstufe. Da der anfängliche Oxidationszustand eines Moleküls durch ein elektrisches Feld gesteuert werden kann, könnte dieser Ansatz Chemikern helfen, neue chemische Reaktionen und Produkte zu entwerfen, sagt Fatayer.

Seine Gruppe entwickelt nun Möglichkeiten, einzelnen Molekülen einzelne Elektronen hinzuzufügen oder zu entfernen und Spannungsimpulse an bestimmte Teile eines Moleküls anzulegen, um zu steuern, welche chemische Reaktion stattfindet.

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