Project

conformers; cold ions; molecular beams; reaction dynamics; controlled chemistry; cold molecules

Lead
Das Verständnis des Zusammenhangs zwischen Struktur und chemischer Reaktivität von Molekülen ist eines der zentralen Aufgaben der Chemie. Viele Moleküle besitzen verschiedene Strukturen, die sich durch Rotation von Teilen des Moleküls um eine chemische Bindung ineinander umwandeln können (sog. Konformere). Im vorliegenden Projekt werden individuelle Konformere von komplexen Molekülen in der Gasphase isoliert und ihre chemische Reaktivität erstmals unter präzise kontrollierten Bedingungen untersucht.
Lay summary
Das Ziel des vorliegenden Projekts ist ein detailliertes Verständnis zwischen der Struktur eines Moleküls, insbesondere seiner Konformation, und seiner Reaktivität. Konformere sind die dominanten Isomere komplexer Moleküle und die Konformation eines Moleküls kann beträchtliche Auswirkungen auf seine chemische Reaktivität haben. Konformere wandeln sich jedoch oft durch ihre thermische Bewegung ineinander um und sind daher in der Regel sehr schwierig zu isolieren. Die präzisesten Bedingungen zur Untersuchung chemischer Reaktionen herrschen in der Gasphase vor, jedoch ist es bis vor kurzem nicht gelungen, einzelne Konformere unter diesen Bedingungen zu isolieren und gezielt zur Reaktion zu bringen. Zusammen mit Partnern vom Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) und der Universität Hamburg haben wir vor kurzem eine Methode entwickelt, um verschiedene Konformere eines Moleküls in der Gasphase durch elektrische Felder räumlich zu trennen und sie gezielt auf einen stationären Reaktionspartner zu lenken, um ihre chemische Reaktivität detailliert zu untersuchen. Im vorliegenden Projekt planen wir, diese Methode systematisch auf eine grössere Klasse von chemischen Prozessen zu erweitern und eine Reihe wichtiger chemischer Reaktionstypen hinsichtlich ihrer Konformerenselektivität in der Gasphase zu untersuchen.  Wir erwarten, dass die Ergebnisse des Projekts neue Einsichten in grundlegende chemische Zusammenhänge und in die Mechanismen von chemischen Reaktionen liefern werden. Diese Erkenntnisse können u.a. für die synthetische Chemie und für das Verständnis der Chemie der Erdatmosphäre von Nutzen sein.

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Last update: 04.03.2015

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Self-organised

Number	Title	Start	Funding scheme

The relationship between structure and reactivity is one of the central tenets of chemistry. In particular, many molecules exhibit structural isomers that interconvert over low barriers through rotations about covalent bonds (conformers). Conformers are the dominant isomers of complex molecules, and the conformation of a molecule can have pronounced effects on its chemical reactivity. Despite the eminent importance of conformational isomers in chemistry, very few studies have been reported thus far characterising conformational effects in chemical reactions under single-collision conditions. Consequently, the role of molecular conformations in fundamental reactions is only poorly understood. This striking lack of data reflects the experimental challenges to isolate und control specific conformers.In a recent proof-of-principle study [Science 342 (2013), 98], we have spatially separated specific conformers in a molecular beam through electrostatic deflection and directed them at a spatially localized reaction target of cold ions in a trap. This approach allowed us to study conformation-specific effects in ion-molecule reactions under precisely controlled experimental conditions in the gas phase. Here, we pro- pose a wide-ranging research programme aiming at extending our method to neutral reactions and applying it to a range of chemically relevant problems in order to explore the relationship between structure and reactivity in unprecedented detail. These methodological advances will enable for the first time detailed and systematic studies of the reaction mechanisms and dynamics of isolated conformers. The fundamental mechanistic insights gained will benefit a wide range of fields as diverse as fundamental reaction dynamics, organic synthesis, catalysis, atmospheric chemistry and rational molecule design.