De omzetting van methylhydroxycarbeen in aceetaldehyde is voor zover bekend de eerste chemische reactie die geheel wordt veroorzaakt door een kwantummechanisch tunneleffect. Dat claimen Amerikaanse en Duitse onderzoekers deze week in Science.

Laatste auteur Wesley Allen (University of Georgia) vergelijkt het met ”Schrödingers kat die op Houdini-achtige wijze door de dunste zijkant van z’n doos heen breekt” omdat hij er zoals bekend niet overheen kan springen.

Het in handen krijgen van het uiterst instabiele methylhydroxycarbeen was op zich al reden voor een feestje. De onderzoekers kregen het voor elkaar door vacuümpyrolyse van pyrodruivenzuur bij 1.200 K, direct gevolgd door het invriezen van het product in vast argon bij 11 graden boven het absolute nulpunt.

Analyses toonden onomstotelijk aan dat het product inderdaad methylhydroxycarbeen moest zijn. Maar het gekke was dat het langzaam veranderde in aceetaldehyde (ethanal), met een halfwaardetijd van ongeveer een uur, terwijl dat in theorie bij deze temperatuur helemaal niet zou moeten kunnen wegens gebrek aan activeringsenergie. Argon is een inert edelgas en dus geen voor de hand liggende katalysator. Bovendien zou je in plaats van aceetaldehyde eerder vinylalcohol (ethenol) hebben verwacht: de activeringsenergie voor die reactie is onder deze omstandigheden ook te hoog, maar wat minder te hoog.

Na enig verder experimenteren zijn Allen en collega’s er inmiddels van overtuigd dat ze hier met een tunneleffect te maken moeten hebben. Via de ‘tunnel’ wordt een waterstofkern verplaatst naar een andere positie. Dat kan twee kanten op waarbij je óf aceetaldehyde óf vinylacohol krijgt, en voor het tunneleffect heeft de eerste optie kennelijk de voorkeur.

Bekend was al dat tunneleffecten wel vaker een rol spelen bij chemische reacties, maar dan hooguit als secundair effect waardoor de werkelijke reactiesnelheid een beetje afwijkt van de berekende waarde.

Dat zo’n tunneleffect op zijn eentje een reactie kan aandrijven is nieuw. Maar het zou Allen niet verbazen als het bij verplaatsing van waterstofkernen veel vaker gebeurt dan iedereen tot nu toe dacht, en misschien zelfs wel onder minder extreme omstandigheden. Dat zou dan weer hele nieuwe synthesemogelijkheden kunnen bieden.

bron: University of Georgia