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05 March 2019 - Controlled Excitation of Molecules Regulates Chemical Reactions

Researchers from Giessen and Marburg demonstrate new possibilities for the regulation of chemical reactions on surfaces - Publication in Research Journal "Angewandte Chemie"

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.

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).

 

 

Chemische Reaktionen Grafik.jpg
Alles unter Kontrolle: 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

 

Publication

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 2019.

 

Contact

Prof. Dr. Michael Dürr

Justus-Liebig-Universität Gießen

Institut für Angewandte Physik

Heinrich-Buff-Ring 16

35392 Gießen

 

Prof. Dr. Ulrich Höfer

Philipps-Universität Marburg

Fachbereich Physik

Renthof 5

35032 Marburg

 

Further Information

Website Campus Research Focus Materials Research

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