Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Die Vermessung der Chemie: Wasserstoffbrücken-Bindungen experimentell erfasst

18.03.2016

Ein Team aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin konnte nun erstmals messen, wie neue Verbindungen zwischen Molekülen diese beeinflussen: Sie haben aus Messdaten an der Swiss Lightsource des Paul-Scherrer-Instituts die „Energielandschaft“ von Azeton-Molekülen rekonstruiert und so experimentell den Aufbau von Wasserstoffbrücken zwischen Azeton- und Chloroform-Molekülen nachgewiesen. Die Ergebnisse sind in Nature Scientific Reports veröffentlicht und helfen, grundlegende Phänomene der Chemie zu verstehen.

Moleküle setzen sich aus Atomen zusammen, die zueinander bestimmte Abstände und Winkel einnehmen. Die Gestalt eines Moleküls kann sich verändern, zum Beispiel durch die Nachbarschaft zu anderen Molekülen, durch äußere Kräfte und Anregungen oder auch wenn ein Molekül eine chemische Verbindung mit einem anderen Molekül eingeht.


Das Team konnte erstmals mit der Methode der inelastischen Röntgenstreuung beobachten, wie der Aufbau von Wasserstoffbrücken die C=O Bindung im Azeton-Molekül verändert.

HZB

Ein nützliches Konzept, um die möglichen Änderungen in Molekülen zu beschreiben, sind sogenannte Potenzialflächen oder Energielandschaften: Dies sind jedoch keine Flächen im realen Raum! Vielmehr betrachtet man Parameter, die das Molekül definieren, und stellt diese als Fläche dar, beispielsweise die Ausdehnung einer Kohlenstoff-Sauerstoff-Verbindung oder die Winkel zwischen verschiedenen Molekülgruppen.

Solche Flächen kann man sich als hügelige Landschaften vorstellen: Wenn Licht einen Teil des Moleküls zu Schwingungen anregt, wandert der Zustand des Moleküls energetisch aufwärts, vielleicht sogar über einen Pass oder Gipfel hinweg. Schließlich kommt das Molekül wieder in das vorherige Energieminimum zurück oder landet in einer anderen Energiemulde, die veränderten Winkeln oder Verbindungslängen entspricht. Manche dieser Veränderungen lassen auf Wasserstoffbrückenbindungen mit benachbarten Molekülen schließen.

Gezielt C=O-Bindung zu Schwingung angeregt und Antwort gemessen

Das Team um Annette Pietzsch und Alexander Föhlisch hat es nun erstmals geschafft, diese sehr subtilen Potenzialflächen rund um das kleine Molekül Azeton (C3H6O) genau auszumessen. Sie nutzten dafür die Methode der inelastischen Röntgenstreuung (RIXS) an der Swiss Light Source des Paul Scherrer-Instituts (PSI) in der Schweiz. „Wir haben gezielt die Doppelbindung zwischen dem Kohlenstoff- und Sauerstoff-Atom in Azeton zu Schwingungen angeregt und die Antworten darauf genau analysiert“, erklärt Annette Pietzsch. Durch die extrem hohe Auflösung der Messdaten gelang es ihnen, die Potenzialfläche entlang dieser C=O-Doppelbindung zu kartieren.

Wasserstoffbrücken hinterlassen Fingerabdruck

Im zweiten Teil des Experiments untersuchten sie eine Mischung aus Azeton und Chloroform; diese flüssige Mischung wird als azeotrop bezeichnet, das heißt, durch Destillation lassen sich die beiden Zutaten nicht mehr voneinander trennen. Nun konnten die Wissenschaftler erstmals experimentell beobachten, wie sich die Azeton-Moleküle über Wasserstoffbrücken dicht mit den Chloroform-Molekülen vernetzen: Aus den Messdaten konnten sie auf den Fingerabdruck von Wasserstoffbrückenbindungen schließen, die sich zwischen der C=O-Gruppe der Azeton-Moleküle und den Wasserstoff-Gruppen der Chloroform-Moleküle bilden.

Nützliches Werkzeug entwickelt

„Die Ergebnisse ermöglichen erstmals die quantitative Vermessung von multidimensionalen Potenzialflächen von Molekülen. Solche komplexen Potenzialflächen sind per se ein spannendes Untersuchungsobjekt, denn sie beschreiben auch, wie sich zum Beispiel biologisch aktive Moleküle in ihrer Umgebung verhalten. Wir haben nun ein Werkzeug entwickelt, um solche Potenzialflächen experimentell zu kartieren“, schreibt das Team in seinem Beitrag, der im renommierten Nature Scientific Reports erschienen ist.

Annette Pietzsch arbeitet an der Berliner Synchrotronquelle BESSY II am Aufbau von METRIXS, einem Instrument für die Resonante Inelastische Röntgenstreuung, das in Zukunft noch deutlich bessere Auflösungen erreichen kann. Weiterhin wird das Experiment meV-RIXS hochaufgelöste Röntgenstreuung im Niederenergiebereich möglich machen. Alexander Föhlisch leitet das HZB-Institut für Methoden und Instrumentierung der Forschung mit Synchrotronstrahlung und ist Sprecher des Helmholtz Virtual Institute 419 (Dynamic pathways in multidimensional landscapes).

Nature Scientific Reports | 6:20054 | DOI: 10.1038/srep20054
Ground state potential energy surfaces around selected atoms from resonant inelastic x-ray scattering, Simon Schreck, Annette Pietzsch, Brian Kennedy, Conny Såthe, Piter S. Miedema, Simone Techert, Vladimir N. Strocov, Thorsten Schmitt, Franz Hennies, Jan-Erik Rubensson & Alexander Föhlisch.

Dr. Ina Helms | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH
Weitere Informationen:
http://www.helmholtz-berlin.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Software mit Grips
20.04.2018 | Max-Planck-Institut für Hirnforschung, Frankfurt am Main

nachricht Einen Schritt näher an die Wirklichkeit
20.04.2018 | Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Software mit Grips

Ein computergestütztes Netzwerk zeigt, wie die Ionenkanäle in der Membran von Nervenzellen so verschiedenartige Fähigkeiten wie Kurzzeitgedächtnis und Hirnwellen steuern können

Nervenzellen, die auch dann aktiv sind, wenn der auslösende Reiz verstummt ist, sind die Grundlage für ein Kurzzeitgedächtnis. Durch rhythmisch aktive...

Im Focus: Der komplette Zellatlas und Stammbaum eines unsterblichen Plattwurms

Von einer einzigen Stammzelle zur Vielzahl hochdifferenzierter Körperzellen: Den vollständigen Stammbaum eines ausgewachsenen Organismus haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Berlin und München in „Science“ publiziert. Entscheidend war der kombinierte Einsatz von RNA- und computerbasierten Technologien.

Wie werden aus einheitlichen Stammzellen komplexe Körperzellen mit sehr unterschiedlichen Funktionen? Die Differenzierung von Stammzellen in verschiedenste...

Im Focus: Spider silk key to new bone-fixing composite

University of Connecticut researchers have created a biodegradable composite made of silk fibers that can be used to repair broken load-bearing bones without the complications sometimes presented by other materials.

Repairing major load-bearing bones such as those in the leg can be a long and uncomfortable process.

Im Focus: Verbesserte Stabilität von Kunststoff-Leuchtdioden

Polymer-Leuchtdioden (PLEDs) sind attraktiv für den Einsatz in großflächigen Displays und Lichtpanelen, aber ihre begrenzte Stabilität verhindert die Kommerzialisierung. Wissenschaftler aus dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPIP) in Mainz haben jetzt die Ursachen der Instabilität aufgedeckt.

Bildschirme und Smartphones, die gerollt und hochgeklappt werden können, sind Anwendungen, die in Zukunft durch die Entwicklung von polymerbasierten...

Im Focus: Writing and deleting magnets with lasers

Study published in the journal ACS Applied Materials & Interfaces is the outcome of an international effort that included teams from Dresden and Berlin in Germany, and the US.

Scientists at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) together with colleagues from the Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) and the University of Virginia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Digitalisierung

19.04.2018 | Veranstaltungen

124. Internistenkongress in Mannheim: Internisten rücken Altersmedizin in den Fokus

19.04.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Juni 2018

17.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Grösster Elektrolaster der Welt nimmt Arbeit auf

20.04.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Bilder magnetischer Strukturen auf der Nano-Skala

20.04.2018 | Physik Astronomie

Kieler Forschende entschlüsseln neuen Baustein in der Entwicklung des globalen Klimas

20.04.2018 | Geowissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics