Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Passt die Geometrie, stimmt die Chemie - Physiker entschlüsseln chemische Austauschreaktionen

04.06.2012
Chemische Austauschreaktionen laufen in unserem Körper ab, sind in unserer Umwelt allgegenwärtig. Industriell setzen wir sie zum Herstellen von Medikamenten ein.
„Hinter dieser enormen, praktischen Bedeutung stecken ebenso große Rätsel für uns Forscher“, sagt Prof. Roland Wester. Der Innsbrucker Physiker hat mit der direkten Beobachtung von „Geometrieeffekten“ einen Beitrag zur Entschlüsselung dieser Reaktionen vorgelegt. Die Fachzeitschrift Nature Chemistry berichtet darüber in ihrer Online-Ausgabe.

Die Arbeitsgruppe um Roland Wester vom Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik der Universität Innsbruck, vormals an der Universität Freiburg in Deutschland, hat experimentell gezeigt, dass bei chemischen Austauschreaktionen nicht alleine die Energie die tragende Rolle spielt. „Bei Reaktionen in Anwesenheit von Wasser dürfte dies vielmehr auch die Geometrie sein, und damit die Frage, wo bestimmte Moleküle sitzen. Sehr vereinfachend könnte man daher sagen, passt die Geometrie, stimmt auch die Chemie“, so Wester. Die Physiker untersuchten in ihrem jüngsten Experiment einzelne Wassermoleküle und deren Einfluss auf die Reaktionsdynamik von Austauschreaktionen bei der Entstehung von Methanol.

Unerwartete Effekte

Das Team ließ dabei in einer eigens entwickelten Apparatur im Vakuum einzelne, negativ geladene Hydroxyl-Ionen mit Iodmethan-Molekülen (CH3I) kollidieren. Bei dieser Reaktion entstehen Methanol (CH3OH) und ein negativ geladenes Jod-Atom. An die Hydroxyl-Ionen hängten die Forscher dann kontrolliert genau ein oder zwei Wassermoleküle an. Dieses Experiment „förderte verschiedene unerwartete Effekte zutage. Entgegen der einfachen Vorstellung verlangsamt und verwischt ein Wassermolekül nicht einfach diese Reaktion, sondern steuert sie vielmehr durch die geometrische Anordnung der Moleküle. So läuft die Reaktion überhaupt erst durch die Anwesenheit eines Wassermoleküls in der Weise ab, wie dies in Chemie-Lehrbüchern beschrieben ist. Dabei nähert sich das Ion dem CH3I–Molekül von einer Seite und das Jod-Atom fliegt nach der Umordnung des molekularen Komplexes in entgegengesetzter Richtung davon. Ohne den Einfluss des Wassers finden wir dagegen ganz andere Reaktionsmechanismen.“, sagt Rico Otto, der mit diesen Experimenten seine Dissertation abschloss. Mit diesen Grundlagenforschungen wollen er und seine Kollegen einen Beitrag zum verbesserten Verständnis dieser komplexen Abläufe liefern. „Letztlich und dies ist ein sehr langfristiges Ziel, könnte dies auch ein Beitrag dazu sein, industrielle Prozesse effizienter ablaufen zu lassen“, sind Wester und Otto überzeugt.

Die in diesen Forschungen untersuchten „Nukleophilen Substitutionsreaktionen“ sind eine der wichtigsten Reaktionsklassen in der Organischen Chemie. Solche chemischen Austauschprozesse, bei denen eine funktionale Gruppe gegen eine andere ausgewechselt wird, laufen z.B. bei der Adrenalin-Synthese in unserem Körper ab. Dort, wie auch in vielen technischen Anwendungen, finden sie normalerweise in Flüssigkeiten statt. Was auf der Ebene der einzelnen beteiligten Teilchen und Moleküle dabei wirklich im Detail passiert, ist bisher kaum erforscht. Warum? Chemische Formeln fassen Reaktionen in einfacher Weise zusammen, sie können aber die komplexe Dynamik der verschiedenen Reaktionsschritte und deren Wechselwirkungen nur sehr schlecht beschreiben. Außerdem kann die Wissenschaft erst seit wenigen Jahren mit ausgeklügelten Laborexperimenten einen Blick auf diese Austauschprozesse werfen und im Grenzgebiet zwischen Chemie und Physik deren Dynamiken besser erfassen. Wie gefragt diese Fähigkeiten sind, konnte Rico Otto bereits persönlich erfahren, er bekam schon vor seiner Dissertation mehrere Angebote auf Forscherstellen weltweit und ist inzwischen an der University of California in San Diego aktiv. Wester wurde für seine Forschungen im Feld der Ion-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. Im Vorjahr erhielt er einen „Starting Grant“ des European Research Council (ERC).

Publikation: Single solvent molecules affecting the dynamics of substitution reactions. R. Otto, J. Brox, S. Trippel, M. Stei, T. Best, R. Wester. Nature Chemistry. Advanced Online Publication, am 3. Juni 2012
doi: 10.1038/NCHEM.1362

Rückfragehinweis:

Univ.-Prof. Dr. Roland Wester
Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik
Universität Innsbruck
Telefon: +43 512 507-6420
Mail: roland.wester@uibk.ac.at

Mag.a Gabriele Rampl
Public Relations Ionenphysik
Telefon: +43 650 2763351
Mail: office@scinews.at
Weitere Informationen:

http://dx.doi.org/10.1038/NCHEM.1362 - Single solvent molecules affecting the dynamics of substitution reactions. R. Otto, J. Brox, S. Trippel, M. Stei, T. Best, R. Wester. Nature Chemistry. Advanced Online Publication, am 3. Juni 2012

Dr. Christian Flatz | idw
Weitere Informationen:
http://www.scinews.at
http://www.uibk.ac.at/ionen-angewandte-physik/molsyst/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Wie sich das Wasser in der Umgebung von gelösten Molekülen verhält
22.05.2017 | Ruhr-Universität Bochum

nachricht Myrte schaltet „Anstandsdame“ in Krebszellen aus
22.05.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

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: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Im Focus: Neuer Ionisationsweg in molekularem Wasserstoff identifiziert

„Wackelndes“ Molekül schüttelt Elektron ab

Wie reagiert molekularer Wasserstoff auf Beschuss mit intensiven ultrakurzen Laserpulsen? Forscher am Heidelberger MPI für Kernphysik haben neben bekannten...

Im Focus: Wafer-thin Magnetic Materials Developed for Future Quantum Technologies

Two-dimensional magnetic structures are regarded as a promising material for new types of data storage, since the magnetic properties of individual molecular building blocks can be investigated and modified. For the first time, researchers have now produced a wafer-thin ferrimagnet, in which molecules with different magnetic centers arrange themselves on a gold surface to form a checkerboard pattern. Scientists at the Swiss Nanoscience Institute at the University of Basel and the Paul Scherrer Institute published their findings in the journal Nature Communications.

Ferrimagnets are composed of two centers which are magnetized at different strengths and point in opposing directions. Two-dimensional, quasi-flat ferrimagnets...

Im Focus: XENON1T: Das empfindlichste „Auge“ für Dunkle Materie

Gemeinsame Meldung des MPI für Kernphysik Heidelberg, der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster

„Das weltbeste Resultat zu Dunkler Materie – und wir stehen erst am Anfang!“ So freuen sich Wissenschaftler der XENON-Kollaboration über die ersten Ergebnisse...

Im Focus: World's thinnest hologram paves path to new 3-D world

Nano-hologram paves way for integration of 3-D holography into everyday electronics

An Australian-Chinese research team has created the world's thinnest hologram, paving the way towards the integration of 3D holography into everyday...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

14. Dortmunder MST-Konferenz zeigt individualisierte Gesundheitslösungen mit Mikro- und Nanotechnik

22.05.2017 | Veranstaltungen

Branchentreff für IT-Entscheider - Rittal Praxistage IT in Stuttgart und München

22.05.2017 | Veranstaltungen

Flugzeugreifen – Ähnlich wie PKW-/LKW-Reifen oder ganz verschieden?

22.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Myrte schaltet „Anstandsdame“ in Krebszellen aus

22.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

22.05.2017 | Physik Astronomie

Wie sich das Wasser in der Umgebung von gelösten Molekülen verhält

22.05.2017 | Biowissenschaften Chemie