Die Vermessung der Wasserstoffbrücke

  • 15. May 2017

Schwache Bindung konnte mit einem Rasterkraft­mikroskop analysiert werden.

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 Wasserstoff­brücken spielen in der Natur 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.

Abb.: Zwischen einem Propellan-Molekül (unten) und der mit Kohlenmonoxid funktionalisierten Spitze eines Rasterkraftmikroskops bildet sich eine Wasserstoffbrücke aus. (Bild: U Basel)

Abb.: Zwischen einem Propellan-Molekül (unten) und der mit Kohlenmonoxid funktionalisierten Spitze eines Rasterkraftmikroskops bildet sich eine Wasserstoffbrücke aus. (Bild: U Basel)

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. Shigeki Kawai aus dem Team von 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.

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 eröffnen die Forscher neue Wege, um drei­dimensionale Moleküle wie Nuklein­säuren oder Polymere zu identi­fizieren.

U Basel / JOL

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