Moleculair flesje ideaal hulpmiddel voor vloeistofonderzoek

Allerlei slimme apparaten worden niet alleen steeds ingewikkelder, maar tegelijkertijd ook hoe langer hoe kleiner.

Het ultieme voorbeeld in het chemisch laboratorium is het miniatuur-Erlenmeyertje, een flesje waar precies één molecuul in past. Dit is het perfecte gereedschap om bepaalde lastige, vluchtige stoffen, die met gewone technieken moeilijk te bestuderen zijn, gevangen te houden en nader te onderzoeken.

Cyclobutadieen, (CH)4 , is zo'n stof, die chemici al een hele tijd intrigeert. Cyclobutadieen kan in allerlei verschillende reacties synthetisch worden gemaakt, maar is zo instabiel en reactief dat men de eigenschappen tot nog toe niet heeft kunnen meten. Je kunt het cyclobutadieen-molecuul tekenen als een uit vier koolstofatomen bestaand vierkant, waarin de koolstofketen dus onder een hoek van negentig graden gewrocht is. Dat levert een enorme ringspanning op: Zodra het molecuul de kans krijgt, wordt tussen de koolstofatomen weer de natuurlijke hoek van 120 graden aangenomen. Maar dan is het geen cyclobutadieen meer.

In Nature staat een imposante "bouwtekening' van een "moleculair flesje', een groot, stijf, hol organisch molecuul waar precies één molecuul cyclobutadieen binnenin past. Het zit daarin min of meer "ingekerkerd'. Daarom noemt de Engelse chemicus Donald Cram, die het idee lanceerde, deze klasse verbindingen hemi-carceranden: hekwerken waarin kelien molekulen of ionen worden vastgehouden.

Helemaal nieuw is het idee niet. Zo zijn chemici en fysici al langere tijd genteresseerd in zeolieten, poreuze mineralen die als moleculaire zeef kunnen fungeren en waarin men bijvoorbeeld bepaalde vluchtige fotochemische reacties kan onderzoeken. Maar zeolieten zijn vaste stoffen en dat brengt de nodige praktische beperkingen mee. De hemi-carceranden van Donald Cram zijn vloeibaar, zodat een groter oppervlak beschikbaar is, terwijl men er veel meer onderzoekstechnieken op los kan laten dan in de vaste fase, gewoon bij kamertemperatuur. De enige metingen die tot nog toe aan het weerbarstige cyclobutadieen waren gedaan speelden zich af nabij het absolute nulpunt, ingebed in een bevroren matrix van het edelgas argon, onder de spectrometer.

Een verschil met zeolieten is ook, dat in de hier beschreven hemicarcerande precies één gastmolecuul past. Bovendien kan men nu chemische reacties onderzoeken. De onderzoekers hebben binnen hun "moleculaire reactievat' cyclobutadieen laten ontstaan (door een "voorloper' te verwarmen) en vervolgens weer laten verdwijnen (door er zuurstof aan toe te voegen). Het koolzuurgas dat bij de synthese vrijkomt ontsnapt gemakkelijk via de open poriën van het moleculaire reactievat'. Vermoedelijk kan men met behulp van deze techniek ook allerlei andere instabiele stoffen nader onderzoeken. (Nature, 5 december)