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Wasserstoffbrückenbindungen

Erstmals Bildung von Wasserstoffbrücken beobachtet

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Zwischen einem Propellan (unteres Molekül) und der mit Kohlenmonoxid funktionalisierten Spitze eines Rasterkraftmikroskops bildet sich eine Wasserstoffbrücke aus. Die gemessenen Kräfte und der Abstand zwischen dem Sauerstoffatom der AFM-Spitze und den Wasserstoffatomen des Propellans entsprechen genau den Berechnungen.
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Zwischen einem Propellan (unteres Molekül) und der mit Kohlenmonoxid funktionalisierten Spitze eines Rasterkraftmikroskops bildet sich eine Wasserstoffbrücke aus. Die gemessenen Kräfte und der Abstand zwischen dem Sauerstoffatom der AFM-Spitze und den Wasserstoffatomen des Propellans entsprechen genau den Berechnungen. (Bild: Universität Basel, Departement Physik)

Wasserstoffbrückenbindungen sind in der Natur von großer Bedeutung. Wissenschaftlern ist es nun erstmals gelungen, mithilfe eines Rasterkraftmikroskops die Entstehung von Wasserstoffbrückenbindungen in einem einzelnen Molekül zu untersuchen.

Basel/Schweiz – Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum und Bestandteil fast aller organischen Verbindungen. Über Wasserstoffatome stehen Moleküle und Abschnitte von Makromolekülen miteinander in Verbindung. Diese Wechselwirkungen werden Wasserstoffbrückenbindung (oder kurz Wasserstoffbrücken) genannt. In der Natur spielen sie eine große Rolle, da sie für spezielle Eigenschaften von Proteinen oder Nukleinsäuren verantwortlich sind und beispielsweise auch dafür sorgen, dass Wasser eine hohe Siedetemperatur hat.

Eine spektroskopische oder elektronenmikroskopische Analyse von Wasserstoff und den Wasserstoffbrücken in Molekülen war bisher nicht möglich, und auch die rasterkraftmikroskopische Untersuchung lieferte bis heute keine eindeutigen Ergebnisse.

Dr. Shigeki Kawai aus dem Team von Professor Dr. Ernst Meyer vom Swiss Nanoscience Institute und Department Physik der Universität Basel ist es nun gelungen, mithilfe eines hochauflösenden Rasterkraftmikroskops Wasserstoffatome in einzelnen zyklischen Kohlenwasserstoffverbindungen zu untersuchen.

Geeignete Moleküle ermöglichen Darstellung

In einer Zusammenarbeit mit Kollegen aus Japan haben die Forscher Verbindungen ausgewählt, deren Konfiguration der eines Propellers ähneln. Diese Propellane ordnen sich auf einer Oberfläche so an, dass immer zwei Wasserstoffatome nach oben zeigen. Wird nun die mit Kohlenmonoxid funktionalisierte Spitze des Rasterkraftmikroskops nahe genug an diese beiden Wasserstoffatome geführt, kommt es zur Ausbildung von Wasserstoffbrücken, die sich untersuchen lassen.

Wasserstoffbrücken sind deutlich schwächer als chemische Bindungen, aber sehr viel stärker als zwischenmolekulare Van-der-Waals-Bindungen. Die gemessenen Kräfte und Abstände zwischen den Sauerstoffatomen an der Spitze des Rasterkraftmikroskops und den Wasserstoffatomen des Propellans entsprechen exakt den Berechnungen, die von Partnern der Aalto-Universität in Finnland durchgeführt wurden. Sie zeigen, dass es sich bei der Bindung eindeutig um Wasserstoffbrücken handelt. Aufgrund der Messungen können die deutlich schwächeren Van-der-Waals-Kräfte wie auch die stärkeren Ionenbindungen ausgeschlossen werden.

Mit dieser Studie erschließen die Forscher aus dem Netzwerk des Swiss Nanoscience Instituts der Universität Basel neue Wegen, um dreidimensionale Moleküle wie Nukleinsäuren oder Polymere zu identifizieren.

Originalpublikation: Shigeki Kawai, Tomohiko Nishiuchi, Takuya Kodama, Peter Spijker, Rémy Pawlak, Tobias Meier, John Tracey, Takashi Kubo, Ernst Meyer, Adam S. Foster: Direct quantitative measurement of the C=O···H-C bond by atomic force microscopy Science Advances (2017), doi: 10.1126/sciadv.1603258

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