Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wenn herabstürzende Moleküle bremsen

20.03.2013
Innsbrucker Ionenphysiker enträtseln chemische Austauschreaktionen

Wer die Kräfte hinter alltäglichen Prozessen der Organischen Chemie, wie bei der Produktion von Kunststoffen und Medikamenten, aber auch bei der Entstehung von Ruß verstehen will, stößt mitunter auf Unerwartetes.

Seine jüngste Entdeckung bezeichnet der Innsbrucker Physiker Prof. Roland Wester als „große Überraschung. Bei bestimmten, hochenergetischen, chemischen Austauschreaktionen ziehen Moleküle quasi im Sturzflug die Bremse. Dies ist ein weiterer Beleg dafür, dass chemische Reaktionen zwischen geladenen Teilchen (Ionen) und Molekülen komplexer ablaufen, als bisher angenommen.“ Das renommierte Journal of the American Chemical Society widmet dieser Entdeckung das Titelblatt seiner neuesten Ausgabe.

Bei chemischen Austauschreaktionen reagieren Ionen und Moleküle. Eine molekulare Gruppe wird dabei durch eine andere ersetzt. Auf diesem Weg entstehen komplexe, organische Moleküle. Diese so genannten „nukleophilen Substitutionsreaktionen“ sind daher eine der wichtigsten Reaktionsklassen in der Organischen Chemie. Was auf der Ebene der einzelnen Teilchen und Moleküle dabei wirklich im Detail passiert, ist zwar seit Langem Gegenstand intensiver Forschung, kann aber erst seit wenigen Jahren im Detail beobachtet werden.

Die Arbeitsgruppe um Jochen Mikosch, nun am National Research Council in Ottawa, Kanada, und Roland Wester ließ in einer eigens entwickelten Apparatur im Vakuum negativ geladene Fluor-Teilchen (F-) mit Jodmethan-Molekülen (CH3I) kollidieren. Bei dieser Reaktion entstanden zwar – wie in vielen Chemie-Lehrbüchern als Paradebeispiel angeführt – wegen des Austausches der Jod-Bindung durch eine Fluor-Bindung ein Fluormethan-Molekül und ein negativ geladenes Jod-Teilchen. Entgegen der Lehrbuch-Vorstellung läuft diese Austauschreaktion allerdings nicht wie eine einfache Stoßreaktion ab.

Forschung im Grenzgebiet zwischen Chemie und Physik
„Bei dieser Reaktion wird sehr viel Energie frei. Sie läuft aber trotzdem wie mit angezogener Handbremse ab. Dass ein herabstürzendes Molekül, wie in diesem Fall das erzeugte Fluormethan nicht schneller wird, hat uns daher aufs Erste sehr überrascht. Ein Grund dafür sind die Kräfteverhältnisse im Ausgangsmolekül. Hier möchte das Fluor-Ion (F-) sich zunächst rasch an das nächstgelegene Wasserstoff-Atom anbinden, bevor es das Produkt Fluormethan bildet. Dies versetzt das Produktmolekül so stark in Schwingung und Drehung, dass die freiwerdende Energie zum Großteil steckenbleibt“, erklärt der Physiker.

Nach dem jüngsten Ergebnis des internationalen Forschungsteams wirkt bei chemischen Austauschreaktionen eine vielfältige Dynamik. Die eigentliche Stoßreaktion zwischen Ion und Molekül ist dabei laut Wester nur ein Faktor. Ausschlaggebend für das Reaktionsergebnis sind auch die Kräfteverhältnisse im Ausgangs-Komplex und deren Anordnung. Parallel zu den Laborexperimenten wurde in Zusammenarbeit mit Forschern um William Hase aus den USA diese chemische Austauschreaktion in aufwendigen Rechnungen im Computer simuliert. Dabei wurden nahezu deckungsgleiche Ergebnisse gefunden. „Die eigens entwickelten Computerprogramme und die Laborexperimente ermöglichen uns nun erstmals im Grenzgebiet zwischen Chemie und Physik auch kompliziertere Reaktionen in der Organischen Chemie besser zu verstehen“, sagt Wester. Beispiele dafür sind Verbrennungsprozesse, die Katalyse von Molekülen an Oberflächen oder von Biomolekülen in Lösung.

Gefördert wurden diese Forschungen von der Deutschen Forschungsgemeinschaft und der Europäischen Kommission. Wester wurde für seine Arbeiten im Feld der Ionen-Molekül-Reaktionen 2009 mit dem Gustav-Hertz-Preis ausgezeichnet. Der Physiker forscht und lehrt seit Oktober 2010 als Professor am Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik der Universität Innsbruck und ist seit dem Vorjahr Vorstand des Institutes.

Bilder: http://www.uibk.ac.at/ionen-angewandte-physik/media/photos.html

Publikation: Indirect Dynamics in a Highly Exoergic Substitution Reaction. J. Mikosch, J. Zhang, S. Trippel, C. Eichhorn, R. Otto, R. Sun, W. A. de Jong, M. Weidemüller, W. L. Hase, R. Wester. J. Am. Chem. Soc. Volume 135, Issue 11, pp 4161-4574

doi: 10.1021/ja308042v

Kontakt:
Univ.-Prof. Dr. Roland Wester
Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik
Technikerstrasse 25, A-6020 Innsbruck
Telefon: +43 512 507-6420
Mail: roland.wester@uibk.ac.at
Web: http://www.uibk.ac.at/ionen-angewandte-physik/molsyst/
Mag.a Gabriele Rampl
Public Relations Ionenphysik
Telefon: +43 650 2763351
Mail: office@scinews.at
Web: http://www.uibk.ac.at/ionen-angewandte-physik/media/

Gabriele Rampl | SciNews
Weitere Informationen:
http://www.uibk.ac.at

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Der Bluthochdruckschalter in der Nebenniere
20.02.2018 | Forschungszentrum Jülich GmbH

nachricht Markierung für Krebsstammzellen
20.02.2018 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

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: Die Brücke, die sich dehnen kann

Brücken verformen sich, daher baut man normalerweise Dehnfugen ein. An der TU Wien wurde eine Technik entwickelt, die ohne Fugen auskommt und dadurch viel Geld und Aufwand spart.

Wer im Auto mit flottem Tempo über eine Brücke fährt, spürt es sofort: Meist rumpelt man am Anfang und am Ende der Brücke über eine Dehnfuge, die dort...

Im Focus: Eine Frage der Dynamik

Die meisten Ionenkanäle lassen nur eine ganz bestimmte Sorte von Ionen passieren, zum Beispiel Natrium- oder Kaliumionen. Daneben gibt es jedoch eine Reihe von Kanälen, die für beide Ionensorten durchlässig sind. Wie den Eiweißmolekülen das gelingt, hat jetzt ein Team um die Wissenschaftlerin Han Sun (FMP) und die Arbeitsgruppe von Adam Lange (FMP) herausgefunden. Solche nicht-selektiven Kanäle besäßen anders als die selektiven eine dynamische Struktur ihres Selektivitätsfilters, berichten die FMP-Forscher im Fachblatt Nature Communications. Dieser Filter könne zwei unterschiedliche Formen ausbilden, die jeweils nur eine der beiden Ionensorten passieren lassen.

Ionenkanäle sind für den Organismus von herausragender Bedeutung. Wenn zum Beispiel Sinnesreize wahrgenommen, ans Gehirn weitergeleitet und dort verarbeitet...

Im Focus: In best circles: First integrated circuit from self-assembled polymer

For the first time, a team of researchers at the Max-Planck Institute (MPI) for Polymer Research in Mainz, Germany, has succeeded in making an integrated circuit (IC) from just a monolayer of a semiconducting polymer via a bottom-up, self-assembly approach.

In the self-assembly process, the semiconducting polymer arranges itself into an ordered monolayer in a transistor. The transistors are binary switches used...

Im Focus: Erste integrierte Schaltkreise (IC) aus Plastik

Erstmals ist es einem Forscherteam am Max-Planck-Institut (MPI) für Polymerforschung in Mainz gelungen, einen integrierten Schaltkreis (IC) aus einer monomolekularen Schicht eines Halbleiterpolymers herzustellen. Dies erfolgte in einem sogenannten Bottom-Up-Ansatz durch einen selbstanordnenden Aufbau.

In diesem selbstanordnenden Aufbauprozess ordnen sich die Halbleiterpolymere als geordnete monomolekulare Schicht in einem Transistor an. Transistoren sind...

Im Focus: Quantenbits per Licht übertragen

Physiker aus Princeton, Konstanz und Maryland koppeln Quantenbits und Licht

Der Quantencomputer rückt näher: Neue Forschungsergebnisse zeigen das Potenzial von Licht als Medium, um Informationen zwischen sogenannten Quantenbits...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Digitalisierung auf dem Prüfstand: Hochkarätige Konferenz zu Empowerment in der agilen Arbeitswelt

20.02.2018 | Veranstaltungen

Aachener Optiktage: Expertenwissen in zwei Konferenzen für die Glas- und Kunststoffoptikfertigung

19.02.2018 | Veranstaltungen

Konferenz "Die Mobilität von morgen gestalten"

19.02.2018 | Veranstaltungen

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

Highlight der Halbleiter-Forschung

20.02.2018 | Physik Astronomie

Wie verbessert man die Nahtqualität lasergeschweißter Textilien?

20.02.2018 | Materialwissenschaften

Der Bluthochdruckschalter in der Nebenniere

20.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

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