Eksperymenty dostarczają dowodów, że oddziaływanie światła z cząsteczką węglowodoru powoduje powstawanie napiętych pierścieni molekularnych

Kiedy cząsteczki wchodzą w interakcję ze światłem ultrafioletowym (UV), mogą szybko zmienić kształt, powodując odkształcenie – naprężenie w strukturze chemicznej cząsteczki w wyniku wzrostu energii wewnętrznej cząsteczki. Procesy te trwają zwykle zaledwie dziesiątki pikosekund (jedna milionowa milionowej sekundy). Zaawansowane możliwości obiektów wykorzystujących laser rentgenowski na swobodnych elektronach (XFEL) umożliwiają obecnie naukowcom tworzenie obrazów tych ultraszybkich zmian strukturalnych.

W pracy pojawiającej się w Czasopismo Chemii Fizycznej A– odkryli naukowcy dowody strukturalne naprężonej cząsteczki bicyklicznej (cząsteczki składającej się z dwóch połączonych pierścieni), która powstaje w wyniku reakcji chemicznej zachodzącej, gdy cząsteczka cyklopentadienu absorbuje światło UV. Cyklopentadien jest dobrą próbką chemiczną do badania szeregu reakcji, a odkrycia te mają szerokie implikacje dla chemii.

Silnie naprężone cząsteczki mają wiele interesujących zastosowań w energii słonecznej i farmaceutyce. Jednak odkształcenie zazwyczaj nie występuje w sposób naturalny — do układu molekularnego należy dodać energię, aby wytworzyć szczep. Identyfikacja procesów, w wyniku których powstają cząsteczki z naprężonymi pierścieniami, jest wyzwaniem cieszącym się szerokim zainteresowaniem chemii fizycznej.

Badanie potwierdza przewidywanie, że kontrolowane interakcje między cząsteczkami światła i cyklopentadienu prowadzą do powstania napiętych struktur. Zespołowi udało się także rozróżnić typy naprężeń pierścieniowych, co może pomóc w tworzeniu przyszłych metod syntezy cząsteczek.

Zespół wykorzystał impulsy rentgenowskie źródła światła Linac Coherent do zbadania dynamiki strukturalnej cząsteczek cyklopentadienu (tj. cząsteczki organicznej C₅H₆gdzie atomy węgla z pierścienia symetrycznego), obserwując przejście do stanu silnie naprężonego po fotowzbudzeniu.

Zespół wzbudził cząsteczki impulsami światła UV o długości 243 nanometrów i porównał dane dotyczące zależnego od czasu rozpraszania promieni rentgenowskich z teoretycznymi modelami rozpraszania przez różne naprężone cząsteczki występujące w trakcie reakcji. Dane są zgodne z bezpośrednim powstawaniem bicylo[2.1.0]penten, zgodnie z hipotezą, ale nie zaobserwowano bezpośrednio wcześniej.

Z drugiej strony w eksperymentach nie zaobserwowano tricyklu[2.1.0.0]pentan, który również przypuszczano jako potencjalny produkt. Wyniki te otwierają drogę do lepszego zrozumienia roli naprężeń molekularnych w fotowzbudzonych cząsteczkach węglowodorów.