Keine Einbahnstraße beim Protonentransport
Ultraschnelle Spektroskopie zeigt Leitfähigkeit auch durch Protonen-Löcher bei Transportprozessen.
Wissenschaftler des Max-Born-Instituts Berlin und der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg haben das Verständnis elementarer ionischer Ladungstransport-Vorgänge wesentlich erweitert: Durch ultraschnelle zeitaufgelöste Infrarot-Spektroskopie in Verbindung mit quantenchemischen Molekulardynamiksimulationen konnten sie zeigen, dass neben der üblicherweise angenommenen Protonenbewegung auch die Leitfähigkeit durch Protonen-„Löcher“ mindestens genauso relevant ist. Wie die Forscher berichten, sind diese Erkenntnisse insbesondere zum Verständnis der Signal-Transportprozesse in Proteinen wichtig.
Der Austausch von Protonen zwischen zwei chemischen Gruppen (Säure-Base-Neutralisierung) ist eigentlich ein Lehrbuch-Problem. Umso erstaunlicher ist es, dass auch heute noch fundamentale neue Erkenntnisse über die elementaren Prozesse gewonnen werden. Dies liegt auch daran, dass die Bewegung der beteiligten Elementarteilchen (Protonen oder eben Protonen-Fehlstellen, OH– bzw. CH3O–) auf Zeitskalen stattfindet, die so klein sind, dass sie „normalen“ Laborexperimenten nicht zugänglich sind.
Die von den beiden Arbeitsgruppen am Max-Born-Institut und an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg beobachteten Prozesse finden auf Zeitskalen von einer bis hundert Pikosekunden statt, was eine entsprechend präzise experimentelle Methode sowie modernste Hochleistungsrechner erfordert.
Die beiden Forschergruppen haben an einem Modellmolekül gearbeitet (7-Hydrochinolin in einem Wasser-Methanol-Gemisch), bei dem ein kurzer Laser-Lichtblitz die Deprotonierung einer OH-Gruppe und die Protonierung eines Stickstoffatoms induziert. Die genaue Abfolge der Elementarprozesse bei dieser Art von Reaktionen war bislang unklar und hat für diverse Spekulationen gesorgt.
Wie die Wissenschaftler nun zeigen konnten, löst sich zwar tatsächlich recht schnell ein Proton von der OH-Gruppe, aber die Protonierung des Stickstoffatoms aus dem Lösungsmittel findet bereits vorher statt, so dass es effektiv zu einem Transport einer Protonen-Fehlstelle bzw. eines OH– Ions kommt. Die einzelnen Reaktionsschritte konnten die Forscher durch zeitaufgelöste Schwingungsspektren im infraroten Spektralbereich und detaillierte quantenchemische Rechnungen konkret nachweisen.
FVB / DE
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- Originalveröffentlichung
M. Ekimova et al.: Ultrafast proton transport between a hydroxy acid and a nitrogen base along solvent bridges governed by hydroxide/methoxide transfer mechanism, J. Am. Chem. Soc. 141, 14581 (2019); DOI: 10.1021/jacs.9b03471 - Nonlinear Processes in Condensed Matter (T. Elsässer), Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie, Berlin
