Химики ускорили реакцию «раскачиванием» химической связи лазером

Схема эксперимента. Раствор изоцианата и спирта (слева) облучают ИК-излучением, энергия фотона которого совпадает с энергией колебаний связи O-H. Это ускоряет реакцию образования уретана (справа)

Till Stensitzki et al. / Nature Chem., 2018

Химики из Германии и Египта впервые продемонстрировали ускорение межмолекулярной реакции путем возбуждения колебаний отдельных связей в молекулах инфракрасным лазером. Прирост в скорости почти на 24 процента удалось зафиксировать в реакции полимеризации уретана под действием фемтосекундных лазерных импульсов. Такой подход поможет проводить без нагрева некоторые химические процессы, обычно требующие повышенных температур и открывает новые возможности для управления реакциями и создания более дешевой фотолитографии. Исследование опубликовано в журнале Nature Chemistry, кратко о нем сообщает Chemistry World.

Упрощенно, все химические реакции протекают похожим образом. Исходные реагенты сталкиваются между собой и образуют переходное состояние с повышенной энергией. Затем это переходное состояние распадается и образуются продукты реакции — их суммарная химическая энергия меньше, чем энергия исходных веществ. Такие энергетические изменения можно сравнить с подъемом в гору и последующим спуском до точки, лежащей ниже, чем начало пути.

Чтобы ускорить протекание химической реакции, необходимо либо увеличить исходную энергию молекул, тогда они чаще будут достигать переходного состояния (пика горы), либо уменьшить энергию переходного состояния (высоту горы). Первое достигается повышением температуры, второе — добавлением катализатора, облегчающего ориентацию и сближение молекул в переходном состоянии. Однако повышение температуры активизирует сразу большое количество разных химических процессов, а необходим, как правило, только один конкретный — с разрывом и образованием конкретных химических связей.

Теоретически было предсказано, что можно активизировать для химической реакции только определенные связи в молекуле-реагенте. Это возможно благодаря тому, что разные химические связи колеблются на разных частотах, и, подобрав определенную частоту можно «раскачать» нужную связь. Однако до сих пор это предсказание было проверено только на одномолекулярных реакциях разрыва связей в газовой среде.

Химики под руководством Карстена Гейне из Свободного университета Берлина, впервые показали, что для межмолекулярной реакции в жидкости тоже возможно такое избирательное ускорение. Ученые взяли за основу реакцию образования уретанов из изоцианатов и спиртов. С помощью фемтосекундного лазера, энергия фотонов которого совпадала с энергией колебания связи O-H в молекуле спирта, химикам удалось ускорить реакцию образования уретанов примерно на 24 процента. Исследователи отдельно отмечают, что источником ускорения не мог быть нагрев раствора — не было зафиксировано никакого изменения температуры.

С помощью того же лазера ученым удалось продемонстрировать процедуру фотолитографии на примере синтеза полиуретана в жидкости. Просто перемещая точку фокусировки и изменяя диаметр пятна лазера, химики создавали квадраты из полиуретана с изменяемой шириной сторон. Концентрация полиуретана в стенках квадратов была в 20 раз выше, чем в остальном растворе.

«Наш метод позволяет как ускорять, так и замедлять желаемые или нежелаемые реакции» — рассказывает Карстен Гейне. — «Это откроет новые стратегии для оптимизации любых химических процессов, ускоряемых нагревом, например, синтеза антибиотиков. Что, в свою очередь, уменьшит их стоимость».

Ранее мы сообщали о другом необычном примере ускорения химических реакций — с помощью электростатического поля. Химикам с помощью иглы сканирующего туннельного микроскопа удалось ускорить реакцию циклоприсоединения. Однако, для этого потребовалось огромная напряженность электрического поля, около 750 мегавольт на метр.

Владимир Королёв

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.