Raadsel van CH5-ion, een chemisch kameleon, na vijftig jaar opgelost
Een van de eenvoudigste koolwaterstofverbindingen, methaan met een extra waterstofkern eraan, heeft onderzoekers vijftig jaar lang voor een raadsel gesteld. De grote vraag was of het wel een goed gedefinieerde structuur heeft of dat het voortdurend van structuur verandert. Een team van onderzoekers uit Nederland en Duitsland heeft nu voor het eerst aangetoond dat de waarheid in het midden ligt. Enerzijds verandert het razendsnel van structuur, maar toch heeft één structuur duidelijk de voorkeur. Het molecuul in kwestie, , staat model voor een hele klasse van moleculen die een belangrijke rol spelen in de chemie van koolwaterstoffen, zowel hier op aarde als in de ruimte tussen de sterren. De onderzoekers publiceren hun bevindingen op 30 juni 2005 in Science Express, de on-line editie van het weekblad Science.
Koolwaterstoffen vormen de belangrijkste bouwstenen van de organische chemie en hun structuur is over het algemeen zeer goed bekend. Dat geldt zeker voor het eenvoudigste ervan, methaan (CH 4 ). Wordt aan dit molecuul een proton, H + , toegevoegd, dan verandert de situatie echter drastisch. Standaard methoden om de structuur te berekenen faalden, terwijl het ook uiterst moeilijk bleek experimenteel betrouwbare informatie te verkrijgen. Meer dan vijftig jaar nadat het bestaan van voor het eerst werd aangetoond, is er nu een doorbraak. Een samenwerkingsverband van experimentele en theoretische onderzoekers uit Nederland en Duitsland is erin geslaagd het infraroodspectrum van het ion zowel te meten als ook te berekenen. Door de goede overeenstemming tussen beide is het mogelijk conclusies te trekken over de structuur. Enerzijds bevestigt dit onderzoek dat het molecuul razendsnel van structuur verandert, zoals reeds enige tijd het vermoeden was op grond van theoretische overwegingen. Anderzijds blijkt de dans van de protonen om het koolstofatoom zodanig georkestreerd, dat één structuur duidelijk domineert. Deze structuur wordt gekenmerkt door een zogeheten 'drie centra - twee elektronen'-binding. Men denkt dat dit type binding kenmerkend is voor zogenaamde niet-klassieke koolwaterstofkationen. Deze spelen een belangrijke rol in de chemie van koolwaterstoffen, zowel in het laboratorium als ook in de interstellaire ruimte. Voor CH 5 + , dat geldt als het prototype van deze klasse, was het bestaan van deze binding echter nog steeds omstreden. Voor het eerst is nu experimenteel aangetoond dat zo'n binding ook echt bestaat in CH 5 + . Dit maakt een einde aan jarenlange speculaties over de structuur van dit molecuul.
Het team van onderzoekers *) heeft het infraroodspectrum van CH 5 + opgenomen door enkele duizenden ionen in een geavanceerde ionenval bij 110 graden kelvin op te sluiten en te laten reageren door bestraling met infraroodlicht van de vrije-elektronenlaser FELIX van het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen in Nieuwegein. De infraroodstraling die FELIX produceert is voor dit soort onderzoek bijzonder geschikt vanwege het grote afstembereik (over een groot golflengtebereik kan elke gewenste golflengte worden ingesteld) en de hoge intensiteit van de opgewekte straling. De onderzoekers publiceren hun bevindingen in de Science Express van 30 juni 2005.
Meer informatie bij dr. Britta Redlich, FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen, telefoon (030) 609 69 99.