Chemische Überraschung: Forscher haben eine ganz neue Klasse von chemischen Reaktionen entdeckt – eine echte Drei-Partner-Reaktion. Bisher galt eine solche Bindungsform als unwahrscheinlich oder nicht existent. Doch Simulationen legen nun nahe, dass diese sogenannte chemische termolekulare Reaktion sogar alltäglich ist: Sie könnte in Verbrennungsmotoren, Raketentriebwerken und bei Blitzen auftreten, wie die Chemiker im Fachmagazin „Nature Chemistry“ berichten.
Chemische Reaktionen prägen unsere Welt und das gesamte Universum. Erst durch sie entstehen Moleküle und damit nicht zuletzt die Verbindungen, aus denen wir bestehen. Bisher waren dabei drei Grundklassen chemischer Reaktionen bekannt: Die Bildung oder Auflösung von Bindungen in nur einem Reaktionspartner, bei zwei Partnern oder aber Reaktionen, bei denen zwei Partner einen Molekülkomplex bilden und ein drittes Molekül als passiver Partner präsent ist, ohne selbst seinen Bindungszustand zu ändern.
Reaktionen zwischen Gasen
Jetzt haben Michael Burke von der Columbia University und sein Team erstmals eine weitere Reaktionsklasse nachgewiesen – eine Reaktion mit drei Bindungspartnern. Dass es diese sogenannten chemisch termolekularen Reaktionen gibt, wurde zwar schon in den 1930er Jahren vermutet, doch ob sie tatsächlich existieren, war bislang unbekannt.
Für ihre Studie nutzten die Forscher modernste Computermodelle, mit denen sie die chemischen und quantenmechanischen Vorgänge bei der Reaktion von Gasen beispielsweise bei der Verbrennung simulierten. „Der große Vorteil an diesen Methoden ist es, dass sie einen einzigartigen Einblick in extreme chemische Bedingungen bieten, bei denen man die Reaktionsdynamik experimentell nicht untersuchen kann“, erklärt Burke.
Chemische Menage à Trois
An der neuentdeckten Reaktion nehmen gleich drei Reaktionspartner teil. Dabei bilden zwei Partner eine Bindung untereinander und damit einen kurzlebigen molekularen Komplex, wie die Forscher erklären. Ein Beispiel dafür ist die Reaktion von atomarem Wasserstoff mit einem Sauerstoffmolekül (H+O2).
Wenn dabei ein weiterer reaktiver Partner präsent ist, beispielsweise ein weiteres Wasserstoffradikal, dann kann dieser zum dritten Partner in der Reaktion werden. Der Molekülkomplex kollidiert mit dem Radikal und dieses nimmt dann an der Bildung oder Auflösung von chemischen Bindungen teil. Die neue Klasse ist damit eine echte Dreier-Reaktion, wie die Forscher erklären.
In Motoren und der Atmosphäre
Das Spannende daran: „Angesichts der Tatsache, dass reaktive Moleküle wie freie Radikale und molekularer Sauerstoff eine Hauptkomponente von Planetenatmosphären und Verbrennungsreaktionen sind, könnten solche termolekularen Reaktionen in vielen Umgebungen stattfinden“, sagt Burke.
Konkret bedeutet dies, dass diese Reaktionsklasse wahrscheinlich sogar in unserem Alltag eine wichtige Rolle spielt. Denn wie die Forscher herausfanden, findet sie unter anderem in Verbrennungsmotoren, in Raketentreibstoff oder bei Blitzen in der Erdatmosphäre statt. In den Motoren und Raketentriebwerken könnte diese Drei-Partner-Reaktion unter anderem die Verbreitung der Flammen und der Hitze beeinflussen.
Praktischer Nutzen
Die Entdeckung der dieser neuen termolekularen Reaktion könnte daher auch ganz praktischen Nutzen haben. „Unsere Entdeckung eröffnet uns eine ganz neue Welt der Möglichkeiten“, so Burke. „Das Wissen um diese neue Reaktionsklasse könnte zu neuen Motorentypen führen, aber auch zu einem neuen Verständnis der Chemie, die für die Wolkenbildung, die Entwicklung von Luftschadstoffen oder den Klimawandel verantwortlich sind.“ (Nature Chemistry, 2017; doi: 10.1038/nchem.2842)
(Columbia University School of Engineering and Applied Science, 15.08.2017 – NPO)
