Laserlicht bepaalt richting van chemische reactie

Chemici weten al heel lang op welke manier ze stoffen met elkaar moeten laten reageren tot de gewenste eindproducten.

Zelfs voor enorm ingewikkelde biologische moleculen zijn inmiddels heel elegante syntheseroutes bedacht. Dat is grotendeels te danken aan het werk van Elias Corey, hoogleraar aan Harvard University, die voor zijn inspanningen in 1990 de Nobelprijs voor Scheikunde ontving. Hij was er in de zestiger jaren in geslaagd enige logica aan te brengen op dit gebied dat tot dan toe bijna een zwarte kunst was geweest. Uitgaande van het gewenste eindproduct probeerde hij een aantal simpele precursors te vinden, waarmee hij kon gaan bouwen. Hijzelf vond er ook een naam voor: retrosynthetische analyse. Syntheses konden plotseling systematisch worden aangepakt. Recent is opnieuw een belangrijke mijlpaal bereikt. Met behulp van lasers zijn onderzoekers van de Universiteit van Stanford erin geslaagd een reactie selectief naar één bepaald reactieproduct te laten verlopen (Journal of Chemical Physics, december 1991).

Bij een chemische reactie worden de bindingen tussen atomen in moleculen verbroken, waarna vervolgens andere bindingen weer worden gecreëerd. Er treedt met andere woorden een herschikking van de atomen op. Moleculen reageren echter niet altijd vanzelf. Om de banden tussen de atomen te breken dienen deze in trilling gebracht te worden, bijvoorbeeld door de temperatuur te verhogen. Als je ze maar hevig genoeg in trilling brengt, gebeurt uiteindelijk onherroepelijk wat je ook zou verwachten: de bindingen breken. Dat zou in principe ook moeten kunnen met behulp van een laser die precies de juiste frequentie (energie) heeft. Eigenlijk is dat net zoiets als wanneer je iemand op een schommel in beweging brengt: alleen als je steeds op het juiste moment een zetje geeft, kun je grote uitwijkingen teweeg brengen. Er zijn echter een aantal effecten die er voor zorgen dat een dergelijk experiment met moleculen niet zo eenvoudig is. In de eerste plaats blijft de energie niet gelocaliseerd in één band, maar verdeelt deze zich razendsnel over het hele molecuul. Verder is het moeilijk om precies één bepaalde band aan te stralen. Je neemt bijna altijd meer "schommels' mee.

Dat alles heeft Richard Zare en zijn medewerkers er niet van weerhouden het te proberen, en zij slaagden (als eersten) glansrijk. Zij gingen uit van een molecuul HOD, water waarin één van de waterstofatomen (H) is vervangen door een zwaarder atoom, deuterium (D). Normaal gesproken kan dit molecuul in aanwezigheid van reactieve H-atomen op twee verschillende manieren reageren, afhankelijk van welke band wordt verbroken: er ontstaan of OD en H2, of OH en HAD. Wanneer echter met een laser specifiek hetzij de OH-, hetzij de OD-band wordt geëxciteerd, kon de reactie gestuurd worden. En dat zorgde voor heel wat opschudding in de chemische wereld. Zare was zelf echter de eerste om toe te geven dat dit soort experimenten steeds moeilijker wordt naarmate de moleculen groter worden. Dan gaan immers de bovengenoemde bezwaren steeds zwaarder wegen. Dat doet echter niets af aan het feit dat met het door hem uitgevoerde experiment een nieuwe stap is gezet op de weg naar een volledig laser-gecontroleerde synthese van nieuwe moleculen.