05.03.2019 Kontrollierte Anregung von Molekülen steuert chemische Reaktionen

Wissenschaftlerteam aus Gießen und Marburg zeigt neue Möglichkeiten zur Steuerung chemischer Reaktionen auf Oberflächen auf – Veröffentlichung in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“

Pressemitteilung des Forschungscampus Mittelhessen

Schematische Darstellung der chemischen Reaktionen
Grafik: Gerson Mette

Die gezielte Kontrolle chemischer Reaktionen, insbesondere im Hinblick auf die dabei entstehenden Endprodukte, ist die Motivation für viele Forschungsarbeiten in der Chemie. So möchte man die Ausbeute ungewünschter Nebenprodukte unterdrücken und die Ausbeute des gewünschten Produkts erhöhen. Ein Paradebeispiel hierfür sind bimolekulare nukleophile Substitutionsreaktionen, auch SN2-Reaktionen genannt, eine Basisreaktion in der organischen Chemie. Laufen diese SN2-Reaktionen in Lösung ab, so können sie zum Beispiel durch die geschickte Wahl des Lösungsmittels oder durch leichte Modifikationen der beteiligten Moleküle beeinflusst werden. In einer experimentellen Studie mittels Rastertunnelmikroskopie konnte das Forscherteam um Prof. Dr. Michael Dürr, Institut für Angewandte Physik der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU), gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen der Philipps-Universität Marburg (Prof. Dr. Ulrich Höfer) nun zeigen, dass auf Oberflächen weitere, neue Möglichkeiten der Kontrolle dieser „Lehrbuch-Reaktion“ möglich sind (Abbildung: Die Spitze eines Rastertunnelmikroskops (STM) kann nicht nur zur Abbildung der Silizium-Oberfläche und der adsorbierten Ethermoleküle mit atomarer Auflösung verwendet werden. Durch den Elektronenstrom zwischen Spitze und Probe kann auch die Etherspaltung induziert werden, was zu neuen Endprodukten führt, die wiederum von der gewählten Anregung abhängen. Grafik: Gerson Mette).

Dazu untersuchten die Forscherinnen und Forscher die Etherspaltung auf einer Siliziumoberfläche – eine Reaktion, die die Oberflächenvariante einer SN2-Reaktion darstellt. Für diese Reaktion konnten sie zeigen, dass sie nicht nur durch Zufuhr thermischer Energie – der „Normalfall“ –, sondern auch durch Anregung der einzelnen Moleküle mittels Elektronen initiiert werden kann.  

Da mit dem Rastertunnelmikroskop die Endprodukte der Reaktion auf molekularer Skala nachgewiesen werden können, konnten die Forscherinnen und Forscher weiterhin zeigen, dass sich diese von den Endprodukten einer thermisch induzierten Reaktion unterscheiden. Dabei ist besonders hervorzuheben, dass sich die Endprodukte je nach Art der Anregung, d.h. entweder einer direkten elektronischen Anregung oder einer durch das Elektron vermittelten Schwingungsanregung, unterscheiden. Da diese Anregungsarten wiederum durch die experimentellen Parameter bestimmt werden, eröffnet sich eine ganz neue Art der Kontrolle dieser Reaktionen.

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) förderte die zugrundeliegende wissenschaftliche Arbeit durch den Sonderforschungsbereich „Struktur und Dynamik innerer Grenzflächen“ (SFB 1083) sowie durch das Graduiertenkolleg „Funktionalisierung von Halbleitern“ (GRK 1782).

Publikation:

Gerson Mette, Alexa Adamkiewicz, Marcel Reutzel, Ulrich Koert, Michael Dürr, Ulrich Höfer: Controlling an SN2 reaction by electronic and vibrational excitation – tip‐induced ether cleavage on Si(001). Angewandte Chemie, online veröffentlicht am 22. Januar 2019

DOI: 10.1002/anie.201806777, https://doi.org/10.1002/anie.201806777

Kontakt:

Prof. Dr. Michael Dürr
Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut für Angewandte Physik
Heinrich-Buff-Ring 16, 35392 Gießen
Telefon: 0641 99-33490
E-Mail:

Prof. Dr. Ulrich Höfer
Philipps-Universität Marburg
Fachbereich Physik
Renthof 5, 35032 Marburg
Telefon: 06421 28-24215
E-Mail:

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