Chemische Synthesen in Flüssigkeiten und Gasen gehen innerhalb von extrem kurzer Zeit vonstatten. Auf einer Goldoberfläche im Ultrahochvakuum können Synthesegeschwindigkeit stark verlangsamt werden.
Grafische Darstellung der 3+3-Cycloaddition, die an der Empa im Labor "nanotech@surfaces" entdeckt wurde.
Empa
In der Chemie gibt es besonders stabile Strukturen wie den sogenannten Benzolring, das sind sechs miteinander verbundene Kohlenstoffatome, der die strukturelle Basis für Graphit und Graphen, verschiedene Farbstoffe oder Medikamente bildet. Wenn Chemiker solche Ringe gezielt aufbauen möchten, nutzten sie sogenannte Kopplungsreaktionen wie die Diels-Alder Reaktion, die Ullmann-Reaktion, die Bergman-Cyclisierung oder die Suzuki-Kupplung. Nun kommt eine weitere dazu, die noch keinen Namen trägt. Sie wurde von einem Team der Empa gemeinsam mit dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz entdeckt. Die Forschenden verzichteten bei ihrer chemischen Synthese auf die Flüssigkeiten und hefteten die Ausgangsstoffe stattdessen im Ultrahochvakuum auf einer Goldoberfläche fest. Im tief heruntergekühlten Rastertunnelmikroskop lässt sich der Ausgangsstoff (Diisopropyl-p-Terphenyl) beobachten, bevor Wärme eingebracht wird.
Ein Benzolring, wie er nur auf Goldoberfläche entsteht
Bei etwa 200 °C verbinden sich die beiden chemisch normalerweise harmlosen Isopropyl-Gruppen zu einem Benzolring. Dies ist besonders, da der Ausgangsstoff in Flüssigkeiten nicht reagieren würde. Aus dem an die Gold-Oberfläche gehefteten Stoff wird ein Wasserstoffatom zunächst gelockert und dann aus dem Molekül herausgelöst. So entstehen Kohlenstoff-Radikale, die neue Bindungen eingehen können, was bei Temperaturen um 200 °C zügig geschieht. Vorteilhaft ist, dass die Reaktion ohne vermittelnde Borsäuren oder Halogenatome stattfindet. Nur gesättigte Kohlenwasserstoffe sind an der Verbindung beteiligt. Die Ausgangsstoffe sind preisgünstig und einfach verfügbar und es fallen keine giftigen Nebenprodukte an.
Beobachtbarkeit durch schrittweise Aufheizung
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Forscher jeden Reaktionsschritt beobachten können, indem die Goldoberfläche schrittweise aufgeheizt wird. So gehen die Moleküle bei 180 °C erst eine einzige, aber noch keine zweite Bindung ein. Durch Herunterkühlen der Goldoberfläche in einem Rastertunnelmikroskop können die Moleküle in diesem Zustand untersucht werden. Die Forschenden erwarten, dass sich mit dieser Methode auch andere Reaktionsmechanismen aufklären lassen.