Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Dreiecksbeziehung im Reich der Moleküle

04.07.2018

Die so genannten N-Heterocyclischen Carbene (NHC) sind sehr wirksame Katalysatoren. Auf welche Weise sie reagieren, ist aber noch nicht vollständig verstanden. Wissenschaftler der Universität Bonn haben nun das Verhalten gelöster Carbene am Computer simuliert. Dabei wiesen sie eine ungewöhnliche Dreiecksbeziehung nach, die bei manchen der Reaktionen als Zwischenprodukt auftritt. Die Resultate sind vorab online in der Zeitschrift „Chemistry – A European Journal“ erschienen. Sie könnten helfen, die Effizienz der katalysierten Reaktionen weiter zu verbessern.

Carbene sind hoch reaktive Verbindungen. Das liegt an einem ihrer Bausteine – einem Kohlenstoff-Atom. Kohlenstoff verfügt über vier so genannte „freie“ Elektronen. Mit ihnen kann er normalerweise vier Bindungen zu anderen Atomen eingehen.


Das Kohlenstoff-Atom des Carbens (gelb) bildet gleichzeitig Wasserstoffbrücken (gestrichelt dargestellt) zu zwei Molekülen aus.

© Sascha Gehrke und Oldamur Hollóczki/Uni Bonn

In Carbenen bleibt diese Kontaktfreudigkeit jedoch teilweise ungenutzt: Nur zwei der Elektronen sind an Bindungen beteiligt. Übrig bleibt ein einsames Pärchen, das sich gerne einen Reaktionspartner schnappt, wenn sich die Gelegenheit bietet.

Das Problem dabei: Carbene wirken auf viele Lösungsmittel sehr attraktiv. Ihr einsames Elektronenpaar sorgt nämlich dafür, dass sie lokal negativ geladen sind. Lösungsmittel wie Wasser oder Alkohol enthalten dagegen Wasserstoff, der lokal positiv geladen ist.

Aufgrund der elektrostatischen Wechselwirkung fühlt sich dieser zu den Kohlenstoff-Elektronen magisch hingezogen. Das Lösungsmittel-Molekül und das Carben kleben daher aneinander wie zwei Magnete.

Bedrängt wie ein Spitzenfußballer

„Dieser Mechanismus erschwert es anderen Molekülen, mit dem Carben zu reagieren“, erklärt Dr. Oldamur Hollóczki vom Mulliken-Zentrum für Theoretische Chemie der Universität Bonn. Man könnte die Situation des Carbens mit der eines Mittelfeldstars vergleichen: Da sich ihm ständig ein gegnerischer Spieler an die Fersen heftet, fehlt ihm der Raum, seine gefürchteten Pässe zu schlagen.

Der Fußballer versucht dann beispielsweise, sich mit ein, zwei Haken von diesem Schatten zu befreien. Ähnlich könnte es auch in der Welt der Moleküle ablaufen: „Möglicherweise wird zunächst die Wasserstoffbrücke zwischen Carben und Lösungsmittel gebrochen, so dass genug Platz für das regierende Molekül entsteht“, sagt Hollóczkis Mitarbeiter Sascha Gehrke. „Wir haben in unserer Simulation aber nun zeigen können, dass es auch einen anderen Weg gibt.“

Manche Carbene bilden nämlich aufgrund ihres chemischen Aufbaus besonders starke Wasserstoffbrücken aus. Diese lassen sich nicht so einfach lösen. In solchen Fällen kann sich aber eine interessante Zwischenstruktur bilden: In dieser nimmt das einsame Elektronenpaar des Kohlenstoffs nicht nur Kontakt zum Lösungsmittel, sondern gleichzeitig auch zum Reaktionspartner auf. Es entstehen also zwei Wasserstoffbrücken, die beide vom Kohlenstoff des Carbens ausgehen.

Ergebnisse ermöglichen verbesserte Katalyse

Dieses Ergebnis ist auch deshalb interessant, weil es neue Möglichkeiten bietet, die katalysierte Reaktion zu beeinflussen. So sind manche Lösungsmittel einfach zu sperrig, als dass sich diese Dreiecksbeziehung ausbilden könnte.

In ihnen läuft die Reaktion daher weit langsamer oder gar nur unter Wärmezufuhr statt. Umgekehrt lassen sich die Erkenntnisse nutzen, um die Katalyse auch bei niedrigen Temperaturen stattfinden zu lassen. Die Synthese würde dadurch nachhaltiger werden.

„Da Carbene in vielen Gebieten der organischen Synthese eine wichtige Rolle spielen, etwa auch in der Pharma-Industrie, ist dieser Punkt natürlich von immenser Bedeutung“, betont Hollóczki.

Bislang existiert die ungewöhnliche Dreiecks-Struktur nur als Ergebnis einer Moleküldynamik-Software. Die Wissenschaftler planen nun jedoch, sie tatsächlich herzustellen und genau zu charakterisieren.

Publikation: Sascha Gehrke und Oldamur Hollóczki: Hydrogen Bonding of N-heterocyclic Carbenes in Solution: Mechanisms of Solvent Reorganization; Chemistry – A European Journal; DOI: 10.1002/chem.201802286

Kontakt:

Dr. Oldamur Hollóczki
Mulliken Center für Theoretische Chemie
Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Bonn
Tel. 0228/73-60441
E-Mail: holloczki@gmail.com

Johannes Seiler | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Need for speed: Warum Malaria-Parasiten schneller sind als die menschlichen Abwehrzellen
20.07.2018 | Universitätsklinikum Heidelberg

nachricht Erwiesen: Mücken können tropisches Chikungunya-Virus auch bei niedrigen Temperaturen verbreiten
20.07.2018 | Bernhard-Nocht-Institut für Tropenmedizin

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: Future electronic components to be printed like newspapers

A new manufacturing technique uses a process similar to newspaper printing to form smoother and more flexible metals for making ultrafast electronic devices.

The low-cost process, developed by Purdue University researchers, combines tools already used in industry for manufacturing metals on a large scale, but uses...

Im Focus: Rostocker Forscher entwickeln autonom fahrende Kräne

Industriepartner kommen aus sechs Ländern

Autonom fahrende, intelligente Kräne und Hebezeuge – dieser Ingenieurs-Traum könnte in den nächsten drei Jahren zur Wirklichkeit werden. Forscher aus dem...

Im Focus: Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT

Das Very Large Telescope (VLT) der ESO hat das erste Licht mit einem neuen Modus Adaptiver Optik erreicht, die als Lasertomografie bezeichnet wird – und hat in diesem Rahmen bemerkenswert scharfe Testbilder vom Planeten Neptun, von Sternhaufen und anderen Objekten aufgenommen. Das bahnbrechende MUSE-Instrument kann ab sofort im sogenannten Narrow-Field-Modus mit dem adaptiven Optikmodul GALACSI diese neue Technik nutzen, um Turbulenzen in verschiedenen Höhen in der Erdatmosphäre zu korrigieren. Damit ist jetzt möglich, Bilder vom Erdboden im sichtbaren Licht aufzunehmen, die schärfer sind als die des NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskops. Die Kombination aus exquisiter Bildschärfe und den spektroskopischen Fähigkeiten von MUSE wird es den Astronomen ermöglichen, die Eigenschaften astronomischer Objekte viel detaillierter als bisher zu untersuchen.

Das MUSE-Instrument (kurz für Multi Unit Spectroscopic Explorer) am Very Large Telescope (VLT) der ESO arbeitet mit einer adaptiven Optikeinheit namens GALACSI. Dabei kommt auch die Laser Guide Stars Facility, kurz ...

Im Focus: Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie

Forscher am KIT entwickeln Fenstereinheiten mit Diamantscheiben für Fusionsreaktoren – Neue Scheibe mit Rekorddurchmesser von 180 Millimetern

Klimafreundliche und fast unbegrenzte Energie aus dem Fusionskraftwerk – für dieses Ziel kooperieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit. Bislang...

Im Focus: Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung

Quantenphysiker/innen der ÖAW entwickelten eine neuartige Methode für den Nachweis von hochdimensional verschränkten Quantensystemen. Diese ermöglicht mehr Effizienz, Sicherheit und eine weitaus geringere Fehleranfälligkeit gegenüber bisher gängigen Mess-Methoden, wie die Forscher/innen nun im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.

Die Vision einer vollständig abhörsicheren Übertragung von Information rückt dank der Verschränkung von Quantenteilchen immer mehr in Reichweite. Wird eine...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Stadtklima verbessern, Energiemix optimieren, sauberes Trinkwasser bereitstellen

19.07.2018 | Veranstaltungen

Innovation – the name of the game

18.07.2018 | Veranstaltungen

Wie geht es unserer Ostsee? Ein aktueller Zustandsbericht

17.07.2018 | Veranstaltungen

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

Neue Anwendungen für Mikrolaser in der Quanten-Nanophotonik

20.07.2018 | Physik Astronomie

Need for speed: Warum Malaria-Parasiten schneller sind als die menschlichen Abwehrzellen

20.07.2018 | Biowissenschaften Chemie

Die Gene sind nicht schuld

20.07.2018 | Medizin Gesundheit

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