Aromatische moleculen blijken een verbazingwekkende eigenschap te hebben. Om die te achterhalen zetten wetenschappers de chemische bindingen zwaar onder druk. Zo konden ze zien wat er voorbij het breekpunt gebeurt.
De Britse onderzoekers wilden meer te weten komen over de eigenschappen van de chemische bindingen in aromatische moleculen, die veel gebruikt worden in medicijnen en kunststoffen, en hebben onderzocht wat er gebeurt als je deze bindingen zo zwaar onder druk zet dat ze breken. Vormt zich daarna een nieuw evenwicht en is dit proces omkeerbaar?
Tropylium
Het team nam de proef op de som en voerde de druk in het laboratorium op tot de chemische bindingen in de aromaten op knappen stonden. Ze deden dit bij de aromatische stof tropylium, waarbij de zeven in ringvorm aanwezige koolstofatomen een elektronenwolk delen. Ze kozen voor tropylium in plaats van benzeen – de meest simpele aromatische binding – omdat de chemische bindingen in tropylium vanwege het extra koolstofatoom makkelijker onder druk kunnen bezwijken.
Onder hoge druk bezweken
Het werd als het ware ‘overvol’ op de koolstofring door de hoge druk, waardoor er een draai in de aromatische binding ontstond. Het team forceerde uiteindelijk een breuk van de aromatische binding, door steeds meer massa tegen de randen van de koolstofring aan te laten drukken. De aromatische binding stortte ineen en de elektronen cirkelden niet meer om de zeven koolstofatomen heen, maar vormden twee kleinere platte ringen.
En toen gebeurde er iets verrassends. De onderzoekers ontdekten dat er een punt van evenwicht is, waarbij de ring heen en weer springt tussen de aromatische structuur en de twee kleinere ringen. Een molecuul dat in dit onderzoek is gemanipuleerd en onder de loep is genomen, brengt 90 procent van zijn tijd door als de geknepen structuur van twee kleinere platte ringen en 10 procent van zijn tijd als een grotere aromatische ring.
Aan- en uitzetten van aromatische bindingen
“In deze overbevolkte moleculen zijn spanning en aromatische binding subtiel in balans. De structuur, eigenschappen en toepassingsmogelijkheden van een materiaal worden uiteindelijk bepaald door deze balans. De precieze controle die wij konden uitoefenen op het draaien van onze moleculen is ongekend”, legt onderzoeker Paul McGonigal van de University of York trots uit. “We waren niet alleen in staat om een aromatisch molecuul te verdraaien tot de maximale spanning die het kan verdragen, maar het lukte ons ook om te ontdekken en omschrijven wat er gebeurt als we die limiet overschrijden. We hopen dat we met dit onderzoek een grote stap gezet hebben in de richting van het routinematig en op een gecontroleerde manier ‘aan- en uitzetten’ van aromatische bindingen.”
Verrassend dynamisch
Hoofdonderzoeker Promeet Saha van Durham University is ook enthousiast over de studie: “Het omkeerbare knijpen en opnieuw openen van een aromatische ring is fascinerend. Een aromatische binding is zo’n sterke stabiliserende kracht dat we er normaal gesproken vanuit gaan dat er geen andere scheikundige vorm mogelijk is. Onze bevindingen tonen echter aan dat het verrassend dynamisch kan zijn.”
Wat is een aromatische verbinding?
Een aromatische verbinding of aromaat is een scheikundige term voor een organische verbinding die voldoet aan de regel van Hückel. Dit houdt in dat er boven en onder het molecuul een cyclische wolk van elektronen rondzweeft. Een belangrijk kenmerk van een aromaat is dat alle atomen in een plat vlak te vinden zijn.
De chemische binding in aromatische moleculen is de sleutel tot de structuur, stabiliteit en functie van medicijnen en een keur aan kunststoffen in de chemie.
Veel van de atomen in een aromatisch systeem zijn koolstofatomen, maar ook zuurstof en stikstofatomen kunnen onderdeel zijn van een aromatische verbinding. Benzeen is de eenvoudigste aromaat; naftaleen is een soort dubbele versie daarvan. In dit experiment werd tropylium gebruikt, waarbij in elk aromatisch molecuul een wolk van elektronen gedeeld wordt door zeven koolstofatomen.
