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 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