在大多数工业化学反应中，催化剂与起始原料结合并伴随它们通过中间阶段生成产物。在化学中，这条途径被称为反应机制，它是一种黑匣子：一开始没有人知道分子水平上发生了什么。
如果实验室的反应结果未达到预期，化学家首先会进行反复试验。简而言之，他们修改反应直至其发挥作用。然而，有时值得仔细研究反应机制，正如罗斯托克莱布尼茨催化研究所的诺拉·扬森博士使用模型反应所展示的那样。
她最近在《美国化学会杂志》上发表了她的研究结果，这是她获得博士学位的一部分。
詹森解释说，这个模型反应听起来并不引人注目，而且最重要的是，对于外行人来说，这很奇怪。“苯并三唑通常是一种腐蚀抑制剂，在铑催化剂的作用下，与丙二烯(这里的重点是第二个音节)转化为一种新物质。”这被称为烯丙基苯并三唑，可用于多种合成。该反应是由弗莱堡大学布莱特教授领导的一个研究小组开发的。
功能组别精准设定
弗莱堡的同事成功地将一个“官能团”精确地连接到苯并三唑中的一个非常特定的位置。Jannsen解释说，这就是氮氢键(N-H)所在的位置。
“官能团”作为分子片段很重要，因为它们负责特定的例如药物效果。
Jannsen继续说道：“弗莱堡团队希望将这样一个基团放置在苯并三唑中N-H键所在的位置，而N-H键必须为此让位。”同事们成功做到了这一点。“但他们不明白他们取得这一成就的基础是什么。”
那是不幸的。因为只有了解了分子事件，才能在未来对反应进行具体的应用和优化。这就是Jannsen论文的目标，她于2023年在罗斯托克成功通过了论文答辩。
想法：催化剂破坏键
那么这样的反应是如何发生的呢?开始和结束都是已知的。关于该反应还已知的是，起始材料中的每一个原子随后都会在产物中被发现;化学家将此称为“原子经济”反应。这意味着在反应过程中，N-H键中的氢必须从苯并三唑传递到第二种起始材料丙二烯。
Jannsen说：“弗莱堡的科学家认为催化剂破坏了氮氢键，即发生了苯并三唑的所谓氧化加成。铑催化剂以这种类型的反应而闻名。”
詹森首先将铑催化剂仅与一种起始材料苯并三唑反应来测试这个想法。她从该反应中分离出样品，用于核磁共振波谱(NMR)和X射线晶体结构分析。结果：“N-H键根本没有断裂。苯并三唑保持完整，它只将自身附着在催化剂上。”
结果：简单协调
然后化学家发现第二种起始物质艾伦也与催化剂结合。这就是发生以下情况的地方：“两种起始材料彼此直接接触，苯并三唑将氢原子(也称为质子)转移到丙二烯。催化剂仅将起始材料固定在适当的位置，但不直接干预这一步。”
詹森随后使用量子力学详细证实了这一提议，即通过对反应路径进行理论建模。
詹森对催化剂如此简单地处理整个事情感到惊讶。对于外行人来说，这可能听起来有点像化学绳把戏。用技术术语来说，这样的过程是众所周知的，称为质子化。
这个过程有一个优点。Jannsen说：“有趣的是，通过添加另一个质子源可以显着改善质子化的反应条件。”例如，她通过添加一种助催化剂成功地将反应温度从80°C降低到室温。
很多并不总是有很大帮助
Jannsen还发现苯并三唑在某些情况下也可以阻断催化剂。当这种起始物质占据催化剂两次时，其反应伙伴艾伦无法在催化剂上找到自由空间，就会出现这种情况。
这会使催化活性瘫痪并导致催化剂被“消耗”。“这可能有助于简单地将起始材料连续添加到反应中，从而减少催化剂与其的接触，”詹森说。