Auf dem Papier ist es einfach: Zwei zueinander passende Moleküle kommen miteinander in Kontakt und bilden einen neuen Stoff – fertig ist die chemische Reaktion. In der Praxis klappen aber selbst Umsetzungen, die eigentlich funktionieren sollten, nicht immer, und schon gar nicht machen dabei alle anwesenden Moleküle mit. Fachleute um den Chemiker Matthew Timm von der Universität Graz haben aufgeklärt, welche Rolle der Winkel spielt, in dem zwei zueinander passende Moleküle aufeinandertreffen. Wie sich zeigte, beträgt der räumliche Spielraum dabei nur wenige Grad.

Das Team der Universität Graz, der Humboldt-Universität zu Berlin sowie der Tschechischen Akademie der Wissenschaften in Prag brachte einzelne Moleküle in einem Rastertunnelmikroskop zur Reaktion. Damit sie genau kontrollieren konnten, in welchem Abstand und Winkel ihre Versuchsteilchen aufeinandertrafen, nutzten die Forschenden eine »Unterlage« aus einer Kupfermodifikation, bei der die Kupferatome in genau parallelen Reihen angeordnet sind. Darauf fixierten sie ein langes, stabförmiges Zielmolekül namens Dibromterfluoren, kurz DBTF (C₄₅H₃₆Br₂). Dabei handelt es sich um eine Kette von aromatischen Kohlenwasserstoffringen, die an beiden Enden je ein Bromatom trägt. Eines von ihnen wurde entfernt, sodass genau an dieser Stelle ein reaktives Zentrum entstand.

Wie würde ein kleines, reaktives CF₂-Molekül an diesen langen Stab andocken? Die Forschungsgruppe positionierte es in einigem Abstand zum Zielmolekül und gab ihm durch einen elektrischen Impuls einen »Schubs«. Weil sich das CF₂-Molekül nur auf einer der parallel angeordneten Kupfer-Reihen bewegen konnte, ließ sich durch die Anfangsposition der beiden Moleküle genau einstellen, an welcher Stelle und in welchem Winkel das CF₂-Molekül auf das Zielmolekül treffen würde.

Auf diese Weise testete das Team zunächst zwei Auftreffwinkel. Bei einem Winkel von 41 Grad stießen die Moleküle zusammen, ohne miteinander zu reagieren. Bei einem Winkel von einem Grad hingegen entstand eine neue Bindung.

Anschließend vermaßen die Forschenden 79 Reaktionen mit unterschiedlichen Winkeln. Davon führten nur sechs Anordnungen zum Erfolg – bei jeder davon betrug der Auftreffwinkel weniger als drei Grad. Bei den restlichen Anordnungen wurde das angreifende CF₂-Molekül wieder ein Stück von der Andockstelle weggeschubst, eine chemische Reaktion fand nicht statt. Das galt für alle Winkel größer als 15 Grad. Allerdings ließen sich durch das rigide Raster der Kupferoberfläche und die geometrischen Möglichkeiten, das Zielmolekül dort zu verankern, keine Auftreffwinkel zwischen 3 und 15 Grad herstellen.

Dass es lediglich so ein kleines geometrisches Fenster für eine erfolgreiche Reaktion gab, erklären die Fachleute mit dem Konzept der sterischen Hinderung: Bei zu großen Winkeln zwischen den beiden Reaktanden sind stets Atome des einen oder anderen Moleküls im Weg. So können die freien Elektronen, die eine Bindung ausbilden würden, schlicht nicht zusammenkommen. Die Einblicke sollen einen Beitrag zu gezielterem Design von Molekülen leisten, die für bestimmte Reaktionen dienen sollen.