Chemische reacties in slow motion

Infraroodspectroscopie en computersimulaties brengen de verborgen wisselwerking aan het licht tussen oplosmiddel en opgeloste stof.

De waterstofbruggen die de moleculaire basenparen van ons DNA aan elkaar binden, vormen zich in de intracellulaire vloeistof. De milieuchemische processen van onze planeet spelen zich grotendeels af in de wereldzeeën of elders in het water, en de meeste geneesmiddelen worden gesynthetiseerd in oplosmiddelen. Toch bestuderen scheikundigen de mechanica van chemische reacties doorgaans niet in vloeistoffen, maar wel in de gasfase, omdat moleculen dan verder uit elkaar liggen en makkelijker te volgen zijn. In een vloeistof zitten er meer moleculen, die dus ook vaker botsen. Door die chaos lijken alle reacties door elkaar te lopen – tenzij je ze op foto kunt vastleggen in een biljoenste van een seconde.

Daar is Andrew Orr-Ewing van de University of Bristol in geslaagd. Tussen 2012 en 2014 voerde hij samen met toenmalig promovendus Greg Dunning experimenten met infraroodspectroscopie. Gekatalyseerd door hitte veroorzaken reacties in vloeistof trillingen die waarneembaar zijn in het infraroodspectrum. Met een supersnelle flits ultraviolet licht manipuleerde Orr-Ewing xenondifluoride in het oplosmiddel acetonitril. De laserpuls gaat als een scalpel door de moleculen heen, en snijdt de erg reactieve fluoratomen los. Die grissen op hun beurt deuteriumatomen mee van de moleculen van het oplosmiddel, en vormden deuteriumfluoride. De infrarode trillingen na de eerste laserpuls waren niet meer dan een flits, wat verried hoe razendsnel de verbindingen tussen atomen zich vormen, en hoe snel de reactie een nieuw evenwicht bereikt.

De experimenten toonden aan dat het mogelijk is om chemische reacties in vloeistof tot op een fractie van een picoseconde te volgen. Omdat de meeste scheikundigen liever met computersimulaties werken dan met dure lasers en detectoren, hebben David Glowacki en Jeremy Harvey, collega’s van Orr-Ewing in Bristol, simulatiesoftware geschreven die de resultaten van de spectroscopie-experimenten met een verbluffende accuratesse voorspelt. ‘Met die simulaties kunnen we dieper binnen kijken in wat er gebeurt,’ legt Orr-Ewing uit.

De combinatie van beide technieken geeft ons een ongeziene kijk op het verloop van chemische reacties in vloeistof. Ze worden al verwerkt in computersimulaties voor academisch en industrieel gebruik, en zijn veelbelovend voor onderzoek naar ziektes, geneesmiddelenontwikkeling en milieuonderzoek. (ja)