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Organische Chemie Kenne deinen Reaktionsweg – neues Vorhersagemodell

Autor / Redakteur: Dr. Christian Flatz / Christian Lüttmann

In der Chemie wollen Forscher gerne wissen, welche Produkte sie erhalten, wenn sie eine Reaktion starten. Doch die Vorhersage ist oft schwer, gerade bei größeren Molekülen. Ein Team der Universität Innsbruck hat nun erstmals die Reaktionsdynamik eines aus neun Atomen bestehenden Komplexes aufgeklärt und so neue Möglichkeiten für die Vorhersage chemischer Reaktionsabläufe geschaffen.

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Im Experiment reagieren zwei Moleküle auf unterschiedliche Arten miteinander: über eine nukleophile Substitution (Sn2) oder eine Eliminierungsreaktion (E2). Je nach Reaktionsweg werden die Produkte in unterschiedliche Richtungen abgegeben. Diese Produktverteilung lässt sich detektieren und ist im Bild dargestellt (Sn2 links, E2 rechts).
Im Experiment reagieren zwei Moleküle auf unterschiedliche Arten miteinander: über eine nukleophile Substitution (Sn2) oder eine Eliminierungsreaktion (E2). Je nach Reaktionsweg werden die Produkte in unterschiedliche Richtungen abgegeben. Diese Produktverteilung lässt sich detektieren und ist im Bild dargestellt (Sn2 links, E2 rechts).
(Bild: AG Wester)

Innsbruck/Österreich – Was in der Welt der Moleküle und Atome passiert, ist nur schwer vorstellbar. Dennoch lassen sich chemische Reaktionen heute präzise untersuchen und vorhersagen – jedenfalls bei kleinen Molekülen. Doch schon, wenn mehr als vier Atome involviert sind, wird es sowohl für die Theorie schwierig, die Abläufe einer Reaktion im Detail zu beschreiben.

Dr. Roland Wester vom Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik der Universität Innsbruck hat mit seinem Team nun ein einzigartiges Experiment gebaut, mit dem Moleküle mit Ionen zur Reaktion gebracht und beobachtet werden können. So ist es den Wissenschaftlern erstmals gelungen, die atomare Dynamik der so genannten nukleophilen Substitutionsreaktion exakt zu beschreiben.

Eliminierung vs. nukleophile Substitution

Vor einigen Jahren untersuchte die Forschungsgruppe den Wettstreit zweier chemischer Reaktionen an organischen Verbindungen: Eliminierung vs. nukleophile Substitution.

In beiden Fällen reagiert ein elektronenreiches (negatives) Teilchen – das Nucleophil – mit einem eher positiven Partner. Bei der Eliminierung schnappt sich das Nucleophil ein Proton des Reaktionspartners. Bei der Substitution greift es an einem partiell positiven Kohlenstoff-Atom an und schmeißt einen negativen Bindungspartner aus dem Molekül, etwa eine Halogen-Gruppe. Je nachdem welche Reaktion bevorzugt wird, erhält man unterschiedliche Reaktionsprodukte.

Zwei Reaktionswege im Wettbewerb: Nucleophile Substitution (Sn2) und Eliminierungsreaktion (E2). Beide laufen mit einem negativ geladenen Nucleophul (Nu) ab, führen aber zu unterschiedlichen Produkten.
Zwei Reaktionswege im Wettbewerb: Nucleophile Substitution (Sn2) und Eliminierungsreaktion (E2). Beide laufen mit einem negativ geladenen Nucleophul (Nu) ab, führen aber zu unterschiedlichen Produkten.
(Bild: gemeinfrei, Wikipedia / CC0 )

In einer Vakuumkammer ließen die Forscher Moleküle mit geladenen Teilchen aus der Halogengruppe kollidieren, wie Fluorid, Iodid oder Chlorid. Dabei zeigte sich erstmals durch direkte Beobachtung, dass bei größeren Molekülen die Eliminierungsreaktion die Überhand gewinnt und die Substitutionsreaktion irgendwann verschwindet.

Ein Modell in 21 Dimensionen

Bisher noch nicht bekannt war, was in jenem Größenbereich passiert, wo beide Reaktionen ähnlich wichtig sind. Um dies zu untersuchen, waren weitere theoretische Arbeiten notwendig, die in den vergangenen Jahren von Forschern um Dr. Gábor Czakó an der ungarischen Universität in Szeged geleistet wurden. Sie haben es geschafft, den Ablauf der chemischen Reaktion eines aus acht Atomen bestehenden Moleküls mit einem Halogen-Ion detailliert zu beschreiben. Dazu errechneten die Forscher eine so genannte Born-Oppenheimer-Potentialfläche. Beachtlich dabei ist, dass die untersuchte Reaktion in 21 Dimensionen abläuft. In unserer dreidimensionalen Welt lässt sich dieses Modell also nicht erfassen.

Dennoch hat das Modell seinen Nutzen: Die theoretisch ermittelte Potentiallandschaft gibt Auskunft, wie sich die einzelnen Atome während der chemischen Reaktion in dem hochdimensionalen Raum bewegen können. Daraus erstellten die Wissenschaftler der Universität Innsbruck eine präzise Vorhersage, in welcher räumlichen Richtung die Reaktionsprodukte in ihrem Experiment davonfliegen werden. Denn in Experimenten sie messen den Winkel und die Geschwindigkeit, mit der die Ionen auf einem Detektor auftreffen. „Und unsere Daten zeigen, dass wir genau das gemessen haben, was die Theorie ohne Kenntnis der experimentellen Daten berechnet hat“, sagt Studienleiter Wester. „Mit so vielen Atomen und damit so hochdimensional ist dies bisher noch nicht gelungen.“

Originalpublikation: Jennifer Meyer, Viktor Tajti, Eduardo Carrascosa, Tibor Györi, Martin Stei, Tim Michaelsen, Björn Bastian, Gábor Czakó, Roland Wester: Atomistic Dynamics of Elimination and Nucleophilic Substitution Disentangled for the F- + CH3CH2Cl Reaction, Nature Chemistry (2021); DOI: 10.1038/s41557-021-00753-8

* Dr. C. Flatz, Universität Innsbruck, 6020 Innsbruck/Österreich

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