Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Direkte Beobachtung einer katalytischen Reaktion

03.05.2016

Ein internationales Forscherteam beobachtet den Ablauf einer chemischen Reaktion an einer katalytisch wirkenden Metalloberfläche

Es ist ein langersehntes Ziel der Chemie, strukturelle Veränderungen von Molekülen während chemischer Reaktionen nachzuverfolgen und direkt zu beobachten. Aufgrund ihrer kurzen Lebensdauer ist es besonders schwierig, reaktive Zwischenprodukte zu identifizieren und zu charakterisieren.


Identifikation von Reaktanten, Intermediaten, und Produkten einer Reaktionskaskade aus bimolekularer Endiin-Kupplung und Zyklisierung an einer Silberoberfläche mittels Rasterkraftmikroskopie.

Bild: A. Riss/Technische Universität München, adaptiert aus A. Riss et al., Nature Chemistry (2016), DOI: 10.1038/nchem.2506

Durch die Kenntnis ihrer Strukturen können jedoch wertvolle Einblicke in Reaktionsmechanismen gewonnen werden, was sowohl für die chemische Industrie als auch in darüber hinausgehenden Gebieten – Materialwissenschaften, Nanotechnologie, Biologie und Medizin – von großer Bedeutung ist.

Nun hat ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Felix R. Fischer, Michael F. Crommie (University of California, Berkeley und Lawrence Berkeley National Laboratory) und Angel Rubio (Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie am CFEL in Hamburg und Universität des Baskenlandes in San Sebastián) die Bindungsstruktur der Reaktanten, der Intermediate und der Produkte einer komplexen und technologisch relevanten organischen Oberflächenreaktion auf Einzelmolekülniveau abgebildet und entschlüsselt. Die Ergebnisse wurden gestern in der Fachzeitschrift Nature Chemistry veröffentlicht.

Chemische Umwandlungen an der Grenzfläche zwischen fester und flüssiger beziehungsweise fester und gasförmiger Phase von Stoffen bilden das Herzstück von Schlüsselprozessen der Herstellung von Chemikalien in industriellem Maßstab. Der mikroskopische Mechanismus dieser oberflächenkatalysierten organischen Reaktion stellt für die moderne heterogene Katalyse und ihre Anwendung auf großtechnische chemische Verfahren eine große Herausforderung dar.

Konkurrierende Reaktionspfade, die zu einer Vielzahl von reaktiven Zwischenprodukten sowie zu unerwünschten Nebenprodukten führen, erschweren oft die Untersuchung der zugrunde liegenden Reaktionsmechanismen industriell angewandter chemischer Reaktionen, wie beispielsweise der Umwandlung organischer Rohstoffe in komplexe, hochwertige Chemikalien an der Oberfläche eines heterogenen Katalysatorbetts. Die Identifizierung der Struktur kurzlebiger reaktiver Zwischenprodukte gestaltet sich hierbei aufgrund ihrer geringen Konzentration im Reaktionsgemisch besonders schwierig.

In der aktuellen Arbeit wurden die chemischen Strukturen verschiedener Zwischenschritte einer mehrstufigen Reaktionskaskade von Endiin-Molekülen an einer Silberoberfläche mittels Rasterkraftmikroskopie im Nicht-Kontakt-Modus (noncontact atomic force microscopy, nc-AFM) abgebildet. Für diese Messungen wurde die AFM-Spitze mit einem Kohlenmonoxid-Molekül funktionalisiert, um eine besonders hohe Auflösung zu erzielen.

Die Identifizierung der genauen Bindungsstruktur der verschiedenen Intermediate erlaubte die Bestimmung der komplexen Sequenz von Umwandlungen entlang des Reaktionspfades von den Reaktanten über die Zwischenprodukte bis hin zu den Produkten und darüber hinaus die Entschlüsselung des mikroskopischen Mechanismus hinter dem komplizierten dynamischen Verhalten. „Es war eindrucksvoll, die chemische Struktur der reaktiven Zwischenprodukte in diesem komplexen System direkt messen und theoretisch beschreiben zu können“, sagte Felix Fischer, Professor für Chemie an der University of California in Berkeley und einer der führenden Autoren der Studie.

„Dies ist ein großer Schritt für die chemische Synthese“, ergänzte Angel Rubio, ebenfalls einer der führenden Autoren sowie Direktor am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg und Professor für Physik an der Universität des Baskenlandes. „Allerdings wollten wir noch einen Schritt weiter gehen und verstehen, warum die Zwischenprodukte an der Oberfläche stabilisiert werden – dies kommt in einem flüssigen Reaktionsmedium nicht vor.“

Eine Kombination aufwendiger, moderner numerischer Berechnungen und klassischer analytischer Methoden, die den Ablauf sequentieller chemischer Reaktionen beschreiben, hat ergeben, dass es nicht ausreicht, die Potentialfläche zu berücksichtigen (d.h. die Energien der Zwischenstufen entlang des Reaktionspfades und die zugehörigen Aktivierungsenergien für eine weitere Umwandlung), sondern dass Energiedissipation zum Substrat und Veränderungen der molekularen Entropie eine kritische Rolle für die Stabilisierung der Zwischenprodukte spielen.

Die Oberfläche – und insbesondere die Wechselwirkung molekularer Radikale mit der Oberfläche – spielt sowohl für die Entropie als auch für die selektive Dissipation eine entscheidende Rolle. Hierdurch werden grundlegende Unterschiede zwischen Reaktionen an Oberflächen und Chemie in der Gasphase oder in Lösung deutlich.

„Die ergiebige Zusammenarbeit zwischen Theorie und Experiment ermöglichte es uns, die mikroskopischen Triebkräfte zu identifizieren, welche die Reaktionskinetik bestimmen“, sagte Alexander Riss, Erstautor der Studie. Dieses fundamentale Verständnis, das durch das Zusammenspiel experimenteller Messungen auf Einzelmolekülniveau und moderner theoretischer Berechnungen auf Hochleistungsrechnern erreicht wurde, stellt einen grundlegenden Meilenstein in der Analyse chemischer Reaktionen dar.

Durch Einzelmolekülmessungen war es in dieser Arbeit möglich, Beschränkungen konventioneller spektroskopischer Verfahren (die über Ensembles verschiedener Moleküle mitteln würden) zu umgehen und so ein atomares Bild der Reaktionsmechanismen, der treibenden Kräfte chemischer Reaktionen, und der Reaktionskinetik darzustellen. Diese neuen Erkenntnisse liefern bisher unerforschte Ansatzpunkte für die Entwicklung und Optimierung heterogener Katalysesysteme, für die Entwicklung neuartiger Syntheseverfahren in der kohlenstoffbasierten Nanotechnologie, sowie für Anwendungen in der Biochemie und den Materialwissenschaften.

Ansprechpartner:
Prof. Angel Rubio
Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie
Center for Free-Electron Laser Science
Luruper Chaussee 149
22761 Hamburg
Germany
+49 (0)40 8998-6550
angel.rubio@mpsd.mpg.de

Originalpublikation:
A. Riss, A. Pérez Paz, S. Wickenburg, H.-Z. Tsai, D. G. de Oteyza, A. J. Bradley, M. M. Ugeda, P. Gorman, H. S. Jung, M. F. Crommie, A. Rubio, and F. R. Fischer, "Imaging single-molecule reaction intermediates stabilized by surface dissipation and entropy," Nature Chemistry, Advance Online Publication (May 2, 2016), DOI: 10.1038/nchem.2506

Weitere Informationen:

http://dx.doi.org/10.1038/nchem.2506 Originalpublikation
http://www.mpsd.mpg.de/forschung/theo Forschungsgruppe von Prof. Dr. Angel Rubio
http://www.mpsd.mpg.de Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

Dr. Michael Grefe | Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Pflanzlicher Wirkstoff lässt Wimpern wachsen
09.12.2016 | Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP

nachricht Wolkenbildung: Wie Feldspat als Gefrierkeim wirkt
09.12.2016 | Karlsruher Institut für Technologie

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: Elektronenautobahn im Kristall

Physiker der Universität Würzburg haben an einer bestimmten Form topologischer Isolatoren eine überraschende Entdeckung gemacht. Die Erklärung für den Effekt findet sich in der Struktur der verwendeten Materialien. Ihre Arbeit haben die Forscher jetzt in Science veröffentlicht.

Sie sind das derzeit „heißeste Eisen“ der Physik, wie die Neue Zürcher Zeitung schreibt: topologische Isolatoren. Ihre Bedeutung wurde erst vor wenigen Wochen...

Im Focus: Electron highway inside crystal

Physicists of the University of Würzburg have made an astonishing discovery in a specific type of topological insulators. The effect is due to the structure of the materials used. The researchers have now published their work in the journal Science.

Topological insulators are currently the hot topic in physics according to the newspaper Neue Zürcher Zeitung. Only a few weeks ago, their importance was...

Im Focus: Rätsel um Mott-Isolatoren gelöst

Universelles Verhalten am Mott-Metall-Isolator-Übergang aufgedeckt

Die Ursache für den 1937 von Sir Nevill Francis Mott vorhergesagten Metall-Isolator-Übergang basiert auf der gegenseitigen Abstoßung der gleichnamig geladenen...

Im Focus: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Firmen- und Forschungsnetzwerk Munitect tagt am IOW

08.12.2016 | Veranstaltungen

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Ein Nano-Kreisverkehr für Licht

09.12.2016 | Physik Astronomie

Pflanzlicher Wirkstoff lässt Wimpern wachsen

09.12.2016 | Biowissenschaften Chemie

Speicherdauer von Qubits für Quantencomputer weiter verbessert

09.12.2016 | Physik Astronomie