Kernspinspektroskopie von H-Brücken

  • 16. September 2015

Computersimulationen zeigen Methode zur experi­men­tellen Bestim­mung der Bin­dungs­stärke von Wasser­stoff­brücken auf.

Mithilfe aufwändiger Computersimulationen haben Chemiker der Universität Paderborn eine neue Methode zur experimen­tellen Bestimmung der Bindungs­stärke von Wasser­stoff­brücken entwickelt. Diese sind für die speziellen Eigen­schaften vieler für Lebe­wesen wichtiger Biomoleküle wie DNA, Proteine und Kohlen­hydrate von enormer Bedeutung. War bisher nur eine grobe Klassifi­kation möglich, haben Chemiker der Uni Paderborn bei Computer­simula­tionen jetzt eine Gleichung entdeckt, mit der sich die Stärke dieser Bindungen mithilfe von spektro­skopischen NMR-Messungen genau bestimmen lässt.

Positiv geladene Wasserstoffatome (weiß) reagieren mit der negativen Ladung eines Sauerstoffatoms (rot) in einem benachbarten Wassermolekül. Die wechselseitige Anziehung ist unterschiedlich stark und lassen sich jetzt erstmalig experimentell bestimmen. (Bild: U. Paderborn)

Abb.: Positiv geladene Wasserstoffatome (weiß) reagieren mit der negativen Ladung eines Sauerstoff­atoms (rot) in einem benach­barten Wasser­molekül. Die wechselseitige Anziehung ist unter­schied­lich stark und lassen sich jetzt erstmalig experi­mentell bestimmen. (Bild: U. Paderborn)

Wasserstoffbrückenbindungen entstehen in der anziehenden Wechsel­wirkung von stark positiv polarisierten Wasserstoff­atomen und freien Elektronen­paaren benachbarter Moleküle, kommen vor allem in gasförmigen und flüssigen Stoffen, am stärksten in Wasser, vor und sind deshalb auch für Struktur und Funktion vieler Biomoleküle verant­wortlich: So hängt etwa die Bindungs­affinität von Wirk­stoffen an ihre Ziel­strukturen von den gebildeten Wasserstoff­brücken ab. Mit dem neuen Verfahren lässt sich die Stärke dieser zwischen­molekularen Kräfte künftig genau bestimmen.

Das hat laut Thomas Kühne, Professor für Technische Chemie und Leiter der Arbeits­gruppe, Einfluss auf die Chemie, Physik und auch die Material­wissen­schaften. „Mit Hilfe dieses neuen Verfahrens lassen sich zukünftig eine ganze Reihe von interes­santen Effekten an Grenz­flächen wie zum Beispiel Korrosion und Wasser­stoff­versprödung genauer unter­suchen.“ Kühne gehört zum Vorstand des Instituts für Leichtbau mit Hybrid­systemen der Uni Paderborn: Die Ergebnisse seiner theoretischen Arbeit können dort in die Entwick­lung neuer Werk­stoffe für den Automobil­leichtbau einfließen. Die Computer­simulationen haben er und seine Gruppe im Paderborner Zentrum für Paralleles Rechnen (PC²) durchgeführt.

U. Paderborn / OD

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