## Reactiemechanisme zichtbaar gemaakt

Vwo examen scheikunde pilot 2015 1e tijdvak

Chemische reacties die uit verschillende deelreacties bestaan, verlopen vaak zo snel dat tussenproducten niet waarneembaar zijn.
Wetenschappers van de Universiteit van Tokio hebben een poreus materiaal ontwikkeld, waarin de moleculen van een stof kunnen worden ‘opgesloten’. In dit materiaal verlopen de betrokken deelreacties zo traag
dat de structuur van de moleculen van de tussenproducten onderzocht kan worden.
De onderzoekers hebben deze aanpak gebruikt om de reactie die in figuur 1 is weergegeven te onderzoeken. In deze reactie wordt uit een aldehyde en een amine een zogeheten imine gevormd. Van deze reactie was al bekend dat deze in twee deelreacties verloopt. Het tussenproduct was echter nog nooit waargenomen.
figuur 1

R1 en R2 staan in figuur 1 voor koolstofketens. De stof met de algemene benaming hemiaminal is het tussenproduct.

Omdat deelreactie 2 veel sneller verloopt dan deelreactie 1, bestaat het hemiaminal heel kort en was daardoor moeilijk aan te tonen. De totale reactie (deelreactie 1 en 2 samen) is exotherm.
In figuur 2 zijn vier energiediagrammen voor reactiemechanismen die uit twee deelreacties bestaan, schematisch weergegeven.

figuur 2

Om de reactie te onderzoeken maakten de onderzoekers een poreus materiaal, opgebouwd uit grote moleculen die elk één NH2 groep bevatten. De NH2 groepen bevinden zich in holtes van het materiaal.
Ze brachten het materiaal in contact met ethanal, waardoor hemiaminalgroepen werden gevormd. Omdat de hemiaminal-groepen zich in de holtes van het materiaal bevinden, worden ze afgeschermd van de omgeving en kan deelreactie 2 pas bij hogere temperatuur verlopen.
De onderzoekers volgden de volgende vijf stappen.
1 Het poreuze materiaal werd bij een temperatuur van 215 K in contact gebracht met ethanal.
Hierbij verliep deelreactie 1 volledig.
2 De temperatuur werd vervolgens verlaagd tot 90 K.
3 Het gevormde tussenproduct werd geanalyseerd met behulp van röntgenonderzoek.
4 Na het onderzoek werd de temperatuur verhoogd tot 270 K. Hierbij verliep deelreactie 2 volledig.
5 Het gevormde eindproduct werd geanalyseerd met behulp van röntgenonderzoek.
Dat in stap 1 inderdaad een hemiaminal gevormd was, kon aannemelijk worden gemaakt met behulp van röntgenonderzoek. Met röntgenonderzoek kan namelijk de grootte van bindingshoeken tussen atoombindingen worden onderzocht.
Uit het röntgenonderzoek in stap 3 bleek dat de bindingshoeken van het hieronder omcirkelde C atoom met
andere atomen tijdens de reactie waren veranderd.
Uit het röntgenonderzoek in stap 5 bleek dat deze bindingshoeken opnieuw waren veranderd. De onderzoekers zagen hierin een aanwijzing dat na stap 1 het hemiaminal aanwezig was.

Het aantonen van het hemiaminal in stap 3 was een doorbraak voor de Japanse onderzoekers. Toch vonden ze het noodzakelijk om ook stap 4 en 5 uit te voeren.