Neue Erkenntnisse zu Reaktionsmechanismen Gezielte Beeinflussung chemischer Reaktionen sorgt für effizientere Prozesse

Wissenschaftler der Universität Leipzig haben eine neue Methode zur Entschlüsselung chemischer Reaktionen entwickelt. Damit können äußerst kurzlebigen, während der Reaktion entstehende Moleküle - sogenannte Intermediate - besser beobachtet werden.

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Leipzig – Anhand der zeitlichen Abfolge der Intermediate lässt sich genau verstehen, warum eine Reaktion gerade so und nicht anders abläuft. Das ermöglicht es, Reaktionsmechanismen gezielt zu beeinflussen, um beispielsweise die Ausbeute von ganz bestimmten, maßgeschneiderten Reaktionsprodukten zu optimieren und so effizienter für die industrielle Nutzung zu machen.

In einer Kooperation zwischen dem Institut für Analytische Chemie und dem Wilhelm-Ostwald-Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Leipzig wurde diese neue Methode erfolgreich angewendet, um solche kurzlebigen Intermediate aus einer laufenden chemischen Reaktion zu isolieren und zu identifizieren. Im Arbeitskreis um Prof. Dr. Detlev Belder vom Institut für Analytische Chemie dreht sich alles um mikrofluidische Reaktionssysteme. Diese haben die Art und Weise, wie Chemiker Reaktionen durchführen und diese analysieren, revolutioniert.

Erleichterte Bindung

Gleichmäßige Verteilung von Molekülen steigert Reaktionsfähigkeit von Katalysatoren

Die Reaktionen werden auf kleinen, mit Reaktionskanälen durchzogenen Mikrochips durchgeführt. Die Kanäle darauf sind oftmals nicht größer als der Durchmesser eines Haares. Durch diese Miniaturisierung sei es möglich, nahezu ein ganzes chemisches Syntheselabor auf die Größe einer Visitenkarte zu schrumpfen, erklärt Belder. Die Länge der Reaktionskanäle auf dem Chip bestimme hierbei die Reaktionszeit. Ist die Länge der Kanäle so ausgewählt, dass die Reaktion nicht vollständig ablaufen kann, bekommt man auch Zugriff auf die Reaktionsintermediate.

Um nun die genaue Funktion der Intermediate in der Reaktion herauszufinden, ist es den Wissenschaftlern zufolge unerlässlich, die dreidimensionale Struktur der Moleküle zu bestimmen. Hier kommt die Expertise auf dem Gebiet der Laserspektroskopie in der Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Knut Asmis vom Wilhelm-Ostwald-Institut für Physikalische und Theoretische Chemie ins Spiel. Die Ausgangsstoffe einer chemischen Reaktion, die Intermediate und die Produkte werden mit einem intensiven Infrarotlaser bestrahlt und dadurch zum Schwingen angeregt.

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Mit Hilfe quantenchemischer Rechnungen kann dann aus der Art und Weise, wie die Moleküle schwingen, eindeutig auf die dreidimensionale Molekülstruktur geschlossen werden. In diesem konkreten Fall konnten die Forscher Maik Pahl und Martin Mayer den Reaktionsmechanismus einer Hantzsch-Synthese bestimmen. Die nach dem Leipziger Professor Arthur Rudolf Hantzsch (1857 bis 1935) benannte Synthese wird noch heute unter anderem zur industriellen Herstellung von Medikamenten oder in der Agrarindustrie verwendet. Jedes bei einer Reaktion auftretende Teilchen hat laut Mayer einen charakteristischen Infrarot Fingerabdruck, über den seine Struktur eindeutig bestimmt werden kann. Die erfolgreiche Bestimmung der Hantzsch-Synthese zeige, dass diese Methode zuverlässig funktioniert sich jetzt auf neue, völlig unbekannte Reaktionen anwenden lasse.

Originaltitel der Veröffentlichung in „Analytical Chemistry“: „Joining Microfluidics with Infrared Photodissociation: Online Monitoring of Isomeric Flow-Reaction Intermediates“

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