FELIX geeft inzicht in elektronische en geometrische stabiliteit moleculen
Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen hebben meer duidelijkheid geschapen over de stabiliteit van carbokationen. Ze bepaalden hiervoor de structuur van een van deze organische ionen met de vrije elektronenlaser FELIX. Informatie over de elektronische en geometrische stabiliteit is van fundamenteel belang voor de organische chemie, maar kan ook bijdragen aan de kennis over in interstellaire gaswolken in het heelal. In augustus publiceren de onderzoekers hun resultaten in het toonaangevende Duitse vakblad Angewandte Chemie.
Stabiliteit in twee vormen
Er zijn twee factoren die de stabiliteit van een carbokation bepalen. Ten eerste de manier waarop de elektronen gerangschikt zijn. Elektronen vormen de 'lijm' die de atomen in een molecuul aan elkaar bindt. De elektronen bevinden zich in zogenaamde 'orbitalen' (3-dimensionale golffuncties) tussen de atomen. Normaal zijn elektronen twee aan twee gepaard in deze orbitalen; ongepaarde elektronen leiden tot elektronische instabiliteit. Daarnaast is er een geometrische stabiliteit, die afhangt van hoe de atomen in het carbokation ten opzichte van elkaar gepositioneerd zijn.
Infrarood spectrum
De onderzoekers van Rijnhuizen hebben naar de stabiliteit van het gasvormige carbokation 'naftyl' (C10H7 +) gekeken. Hiervoor hebben ze een infrarood spectrum opgenomen met de vrije elektronenlaser FELIX. Het spectrum geeft directe informatie over de structuur en vertelt zo of geometrische dan wel elektronische stabiliteit de grootste invloed heeft op de uiteindelijke structuur van het ion. Hoewel berekeningen voorspellen dat beide effecten een even grote invloed hebben, kwamen ze erachter dat het ion geometrische stabiliteit verkiest boven elektronische stabiliteit. Het ion heeft dus een hoge geometrische symmetrie, maar niet alle elektronen zijn twee aan twee gepaard. Dit is precies andersom als bij het kleinere carbokation 'phenyl', waarbij de elektronische stabiliteit juist een grote rol speelt.
Interstellaire wolken
Met deze nieuwe informatie kunnen ook voorspellingen worden gedaan over carbokationen die nog groter zijn dan naftyl. Deze kennis is van fundamenteel belang voor de organische chemie. Ook astrochemici zijn geïnteresseerd in de resultaten; zij gaan ervan uit dat dit soort moleculen veel voorkomt in interstellaire wolken. Dit zijn immens grote nevels van gas, plasma en stof in het heelal. De samenstelling van deze nevels geeft hen informatie over de vorming van nieuwe sterren. De vorm waarin de ionen voorkomen heeft directe invloed op hun spectroscopische vingerafdruk (op basis waarvan ze gedetecteerd worden) en op hun gedrag in chemische reacties die plaatsvinden in de nevels.
Meer informatie
Neem voor meer informatie contact op met prof.dr. J. Oomens, (030) 609 67 96.
Referentie
Het artikel is inmiddels online beschikbaar: 'Spectroscopic Evidence for a Triplet Ground State in the Naphthyl Cation'
Héctor Alvaro Galué, Jos Oomens