Direkte Beobachtung der Bindung von Kohlenmonoxid

Rastertunnelmikroskopische Untersuchungen liefern Erkenntnisse für die Entwicklung von Sensoren, die vor Kohlenmonoxid warnen.

Kohlenmonoxid ist hochgiftig, weil es die Bindungsstelle des Hämoglobins – dem wohl bekanntesten Beispiel für sogenannte Porphyrine – für Sauerstoff blockiert. Nach dem gleichen Prinzip, einem Porphyrinring mit eingeschlossenem Eisen- oder Kobalt-Atom an das die giftigen Gasmoleküle andocken können, lassen sich auch Sensoren bauen, die vor Kohlenmonoxid warnen. Physiker um Johannes Barth von der Technischen Universität München haben in Zusammenarbeit mit Theoretikern in Lyon und Barcelona Bindungsmechanismen für Gasmoleküle an Eisen- oder Kobalt-Porphyrinen aufgeklärt.

Eine wichtige Eigenschaft der Porphyrine ist ihre strukturelle Flexibilität, wobei ihre Funktionalität von der speziellen geometrischen Konfiguration beeinflusst wird. Rastertunnelmikroskopie-Experimente zeigten, dass sich zwei Kohlenmonoxid-Moleküle zwischen dem zentralen Metallatom und zwei gegenüberliegenden Stickstoffatomen anlagern. Entscheidend ist dabei eine Sattelform der Porphyrinmoleküle, wobei die beiden Gasmoleküle die Position des Reiters einnehmen. Die Form des molekularen Sattels bleibt dabei auch nach der Bindung der beiden Gasmoleküle nahezu unverändert erhalten. 

Abb.: Der linke Teil zeigt vier Porphyrinmoleküle aufgenommen mit einem Rastertunnelmikroskop, rechts sind Modelle des Moleküls dargestellt. Die Erhöhungen entsprechen dem Zentralatom (gelbe Kugel im Modell) und den beiden hochstehenden Teilen des "Sattels" (orange Kugeln). Werden die Kohlenmonoxidmoleküle (rot und blau) angebunden, entsteht eine Kreuzform. Die Sattelform bleibt erhalten.
(Bild: LS Barth)

Ganz anders dagegen reagierten die Porphyrine, als die Wissenschaftler das Kohlenmonoxid durch stärker bindendes Stickstoffmonoxid ersetzten. Dieses bindet direkt am zentralen Metallatom, wobei nur eines an jedes Porphyrin passt. Die elektronische Struktur des Trägermoleküls wird dabei stark verändert und der charakteristische Sattel verflacht. Somit unterscheidet sich die Reaktion des Porphyrins auf unterschiedliche Gassorten drastisch – ein Befund, der auch für potentielle Anwendungen wie Sensoren von Interesse ist. Willi Auwärter, einer der beteiligten Forscher, erläutert: „Neu ist an unserem Ergebnis, dass wir eben diesen Mechanismus das erste Mal auf molekularer Ebene wirklich gesehen haben. Wir können sogar ganz gezielt einzelne Gasmoleküle von einem Porphyrinring auf einen anderen durch molekulare Manipulation umsetzen.“

TUM / MH

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  K. Seufert et al.: Cis-dicarbonyl binding at cobalt and iron porphyrins with saddle-shape conformation. Nature Chemistry, online 9. Januar 2011
  dx.doi.org/10.1038/NCHEM.956
• Molekulare Nanowissenschaften & Chemische Physik von Grenzflächen an der Technischen Universität München