23.10.2019

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. 
 

Abb.: Protonentransport in Wasser, wobei die überzähligen Protonen oder...
Abb.: Protonentransport in Wasser, wobei die überzähligen Protonen oder Protonenlöcher sich schrittweise bewegen. (Bild: MBI)

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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