Pionierskie filmy molekularne pozwalają dogłębnie poznać przebieg reakcji chemicznych w cieczach
Mimo że większość najważniejszych – z punktu widzenia środowiska i przemysłu – reakcji chemicznych zachodzi w cieczach, naukowcy zwykle zajmują się reakcjami w fazie gazowej. Do tej pory przeprowadzenie precyzyjnych obserwacji reakcji między molekułami podczas syntezy chemicznej w cieczy było utrudnione z powodu szybkości procesu oraz ciągłego ruchu cząsteczek rozpuszczalnika. Wiązania są rozrywane i tworzone na nowo w ciągu mniej niż trylionowej części sekundy. Użycie impulsów laserowych o czasie trwania krótszym niż częstotliwość zderzania się cząstek pozwoliło zespołowi CAPRI uchwycić niezwykle szczegółowe migawki z reakcji chemicznych w cieczach. Dzięki połączeniu tych migawek z symulacjami komputerowymi zespołowi udało zwizualizować krok po kroku przebieg reakcji. Znany na całym świecie magazyn naukowy „Scientific American” już okrzyknął to odkrycie jako „zmieniające oblicze świata”. Wyjaśniając motywy kierujące uczestnikami projektu CAPRI, koordynator projektu, prof. Andrew Orr-Ewing wspomina: „częściowo do przeprowadzenia tych badań pchnęła nas chęć znalezienia odpowiedzi na pytanie, co dzieje się z rozpuszczonymi w ciekłym rozpuszczalniku cząsteczkami podczas reakcji, zaś częściowo była to świadomość faktu, że w większości laboratoriów badawczych i zakładach przemysłowych używane sią ciekłe rozpuszczalniki”. Ujęcia w rozdzielczości pikosekundowej Do zbadania molekuł zespół wykorzystał spektrometrię absorpcyjną. Emitując ultraszybkie impulsy laserowe (z podczerwonego lub ultrafioletowego zakresu widma), zespół zmierzył ilość światła pochłanianego przez krótkotrwałe formy pośrednie (przejściowe między substratami reakcji a produktem końcowym) przy różnych długościach fali. Jak wyjaśnia profesor: „zmierzyliśmy widma absorpcji przejściowej z zachowaniem różnych opóźnień czasowych, co pozwoliło nam zaobserwować procesy powstawania i rozpadu pośrednich produktów reakcji. Uzyskane w ten sposób widma ujawniły ścieżki reakcji oraz sposób poruszania się cząstek podczas przemiany chemicznej”. W przeprowadzonych doświadczeniach użyto powszechnie dostępnych rozpuszczalników, w tym wody, tlenku deuteru (D2O), acetonitrylu, chloroformu i dichlorometanu. Zespół CAPRI przyjrzał się również mniej znanym ciekłym perfluorowęglowodorom – chemicznie biernym związkom, które słabo reagują jedynie z cząsteczkami rozpuszczalnika, dzięki czemu umożliwiają niezwykle dokładne zbadanie zachowania rozpuszczonych molekuł. Jak podsumowuje prof. Orr-Ewing, „eksperyment okazał się być pionierski – jako pierwsi na świecie dowiedliśmy, że badanie reakcji w cieczy może być równie szczegółowe, co badanie izolowanych molekuł w gazie”. Dodaje też, że „najbardziej zaskakującym odkryciem był fakt niemożności przewidzenia kierunku przepływu nadmiarowej energii powstającej podczas przebiegających w roztworze reakcji z wykorzystaniem zwykłego modelowania statystycznego. Tutaj kluczowe okazały się wyniki doświadczeń”. Olbrzymi krok w stronę bardziej efektywnego i ekologicznego przemysłu chemicznego Projekt CAPRI pozwolił lepiej poznać przepływy energii wydzielanej podczas reakcji chemicznych. Prześledzono nowe ścieżki reakcji chemicznych oraz sposoby, w jaki molekuły oddają nadmiar energii generowanej podczas pochłaniania promieniowana ultrafioletowego, dzięki czemu nie ulegają uszkodzeniu. Uczestnikom projektu CAPRI nie tylko udało się spełnić podstawowe cele naukowe założone dla badania, ale również uzyskać wyniki, które w przyszłości przyniosą bezpośrednie korzyści w dziedzinie chemii syntetycznej i przemysłowej. Ulepszone metody symulacji z pewnością znajdą zastosowanie w wielu innych dziedzinach, w tym projektowaniu leków. Rezultaty projektu CAPRI mogą również przyczynić się do usprawnienia procesów przemysłowej produkcji wysoko przetworzonych związków chemicznych i farmaceutyków, np. w drodze syntezy w przepływie w reaktorach fotochemicznych wykorzystujących tanie i wydajne źródła światła, takie jak diody LED. Pozwoli to zmniejszyć wpływ zakładów chemicznych na środowisko. „Wykorzystując to podejście, staramy się zidentyfikować reakcje, które mają największe znaczenie dla naukowców zajmujących się syntetyczną chemią organiczną oraz chemików przeprowadzających cykle katalityczne aktywowane pochłoniętym światłem. Dzięki temu unikniemy konieczności stosowania katalizatorów toksycznych oraz tych bazujących na metalach rzadkich” – podsumowuje profesor. Obecnie zespół chce rozszerzyć zakres prac, aby przyjrzeć się bardziej złożonym systemom cząsteczkowym oraz związanym z nimi zjawiskom, w tym interakcjom między molekułami o istotnym znaczeniu biologicznym a światłem ultrafioletowym oraz mechanizmom obrony przed uszkodzeniami fotochemicznymi.
Słowa kluczowe
CAPRI, reakcje chemiczne w cieczach, rozpuszczalniki, pikosekunda, zielona chemia, cząsteczki rozpuszczalnika, krótkotrwałe formy pośrednie, impulsy lasera, spektroskopia absorpcyjna, farmaceutyki, cykle katalityczne, synteza w przepływie, promieniowanie
