Дослідники вперше спостерігали стеричний ефект — взаємодію молекул залежно від їхньої просторової орієнтації (а не лише між їхніми електронами, які беруть участь у зв’язуванні) — у хімічній реакції за участю неполярних молекул. Цей прорив відкриває двері для абсолютно нового способу контролю продуктів хімічних реакцій.
Стаття з описом висновків дослідницької групи була опублікована в журналі Science 12 січня.
Однією з головних цілей хімії є розробка нових методів керування хімічними реакціями. Здебільшого керування хімічними реакціями передбачає розуміння взаємодії між електронами різних атомів. Ці «електронні» ефекти керують багатьма властивостями та поведінкою хімічних речовин і змінами, які вони зазнають під час реакцій.
Але відносне просторове розташування атомів у молекулах також впливає на їхні властивості, поведінку та зміни, які вони можуть зазнати. Багато людей знайомі з історією про талідомід, препарат, відповідальний за низку серйозних вроджених вад у 1950-х роках. Помилка, що стала причиною трагедії, була пов’язана з тим, що хімічні речовини з однаковою формулою, але з дзеркальною структурою, можуть мати різні біологічні ефекти.
Дослідження того, як ці просторові розташування впливають на хімічні реакції — так звані «стеричні ефекти» — і як маніпулювати такими ефектами, складають субдисципліну, відому як стереохімія, яку іноді називають «3D-хімією» через її фокус на орієнтаціях атомів і молекул у тривимірному просторі.
Ці ефекти є результатом сил відштовхування між електронними хмарами, що перекриваються.
Дослідники спеціалізуються у своїй лабораторії на спробах контролювати напрямок осі зв’язку молекул, що беруть участь у хімічних реакціях, — це спосіб маніпулювати хімічними реакціями поза традиційними методами, такими як додавання відповідних каталізаторів і зміна температури або тиску реакційної суміші.
«У свідомості багатьох людей і навіть у деяких підручниках з хімії структура та форма молекули підсвідомо ігноруються у фізичній картині хімічної реакції», — сказав Юфен Ван, провідний автор дослідження та хімік із Державної ключової лабораторії США динаміки молекулярної реакції в Китайській академії наук. «Але молекули не можна просто сприймати як точку маси. Структура та форма молекули реагенту можуть мати глибокий вплив на хімічну реакцію».
У свою чергу, взаємна орієнтація реагентів, що стикаються один з одним, також має великий вплив на результат хімічної реакції. Таким чином, керуючи цією орієнтацією, можна сприяти або обмежувати вихід продуктів реакцій у певних кінцевих станах.
Для свого експерименту дослідники вибрали дуже просту хімічну реакцію, перетворення водню (H) і дейтериду водню (HD — атом водню, зв’язаний з атомом дейтерію, ізотопом водню з додатковим нейтроном) на молекулярний водень (H2) дейтерій (D). Вони зіткнули хімічні реагенти при трьох різних енергіях зіткнення, а також при двох різних геометріях зіткнення — в одному, де хімічний зв’язок був вирівняний паралельно відносній швидкості партнерів зіткнення, і в іншому, де зв’язок був вирівняний перпендикулярно.
Дослідницька група успішно спостерігала гіпотетичні значні стеричні ефекти, використовуючи обчислення квантової динаміки для прямого аналізу своїх спостережень. Вони виявили, що коли дві хвилі разом створюють більшу хвилю в перпендикулярній конфігурації, це відіграє важливу роль у спостережуваних стеричних ефектах. Хімічна реакція різко змінювалася залежно від напрямку осі зв’язку HD.
Наступним кроком для команди буде поширити це дослідження на більш складні реакції, які будуть набагато складнішими з точки зору проведення експериментів. Кінцевою метою є розробка більш точних і ефективних способів керування хімічними реакціями в усіх сферах, а не лише за допомогою найпростіших молекул.