Konzertiertes Protonen-Hopping in Wasser

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Konzertiertes Protonen-Hopping in Wasser

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22.07.2013

Protonen hüpfen bei energetisch günstiger Situation von einem Wassermolekül zum anderen – Neues Modell erweitert Grotthuß-Mechanismus

Das Proton, also das positiv geladene Wasserstoffion, bewegt sich in Wasser sehr schnell von einem Wassermolekül zum nächsten, weshalb Wasser eine relativ hohe Leitfähigkeit besitzt. Das Prinzip der Protonenleitung in Wasser ist seit 200 Jahren bekannt und nach seinem Entdecker Theodor Grotthuß als Grotthuß-Mechanismus benannt.

Es geht davon aus, dass nicht ein und dasselbe Proton von einem Molekül zum anderen wandert, sondern dass Bindungen aufgebrochen werden, an denen das eine Proton andockt und dafür verlässt ein anderes Proton das Molekül, um andernorts zu binden. Der daraus resultierende Protonenleitungsmechanismus ähnelt einer Eimerkette, durch die sich die sehr hohe Mobilität der einzelnen Protonen erklären lässt.

Dieses Bild vereinfacht jedoch den Sachverhalt und unterschlägt die Komplexität der Struktur von Wasser. Nun haben Wissenschaftler aus Zürich und Mainz den Mechanismus anhand theoretischer Berechnungen präzisiert und gezeigt, dass die derzeit gültige Vorstellung der Protonenleitung einer Revision bedarf.

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„Die Simulation zeigt, dass der Übergang von einem Wassermolekül zum nächsten viel schneller erfolgt als vermutet und dann in eine Ruhephase bis zum nächsten Übergang eintritt“, erläutert Prof. Dr. Thomas D. Kühne vom Institut für Physikalische Chemie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) die Ergebnisse. Sie wurden am 18. Juli 2013 vorab online im Portal der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.

"Wir zeigen, dass die Diffusion von Protonen und Hydroxidionen während Phasen intensiver Aktivität mit konzertiertem Protonen-Hopping stattfindet, gefolgt von Phasen der Ruhe", schreibt Erstautor Ali A. Hassanali von der ETH Zürich in der Veröffentlichung. In dem Bild, das sich die Wissenschaftler von der Protonenleitung nun machen, entspricht das Wasserstoffbrücken-Netzwerk einer Ansammlung von in sich geschlossenen Ringen. Die sich daraus ergebenden Protonen-Ketten dienen in dem Wasserstoffbrücken-Netzwerk als "Fahrbahn" für lange Protonensprünge über mehrere Wasserstoffbrückenbindungen hinweg. "Die Wassermoleküle tanzen umeinander herum, bis sie eine energetisch günstige Position erreicht haben. Dann erst hüpft das Proton entlang der Leitung zum anderen Molekül", beschreibt Kühne den Vorgang. Zwischenzeitlich kommt es dadurch kurz zur Bildung von protonierten Wassermolekülen mit drei Protonen.

Neben der Bedeutung für den Protonentransfer in wässrigen Systemen dürften die Ergebnisse auch für wichtige biologische Systeme wie Enzyme und andere Makromoleküle relevant sein.

Veröffentlichung:
Ali A. Hassanali et al.
Proton Transfer through the Water Gossamer
PNAS, 18. Juli 2013
DOI: 10.1073/pnas.1306642110

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Thomas D. Kühne
Institut für Physikalische Chemie
Schwerpunkt für Rechnergestützte Wissenschaften
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
D 55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-23699
E-Mail: kuehne@uni-mainz.de
http://www.tc.uni-mainz.de/
http://www.csm.uni-mainz.de/242.php

Weitere Links:
http://www.pnas.org/content/early/2013/07/17/1306642110.abstract – Abstract

Weitere Informationen:

http://www.uni-mainz.de/presse/57094.php
- Pressemitteilung ;

http://www.pnas.org/content/early/2013/07/17/1306642110.abstract
- Veröffentlichung ;

http://www.tc.uni-mainz.de/
- Theoretische Chemie am Institut für Physikalische Chemie

Petra Giegerich | Quelle: Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen: www.uni-mainz.de

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Ein Sensor für Wasserstoffbrückenbindungen

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28.09.2011

Wissenschafter des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) haben einen Sensor für die Wasserstoffbrückenbindungen in flüssigem Wasser gefunden.

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Schematische Darstellung eines Wassermoleküls, welches von Acetonitrilmolekülen umgeben ist.
Grafik: HZB

In Röntgenspektren fanden sie einen Peak, der empfindlich auf das Brechen von Wasserstoffbrücken reagiert. Sie publizieren die Ergebnisse in der online-Ausgabe der Zeitschrift Angewandte Chemie (DOI: 10.1002/anie.201104161).

Sie geben dem Wasser seine besonderen Eigenschaften, sie sind der Grund für viele biochemische Phänomene und ihre Existenz wird sogar im Chemie-Unterricht behandelt: die Wasserstoffbrückenbindungen. Es sind anziehende Kräfte, die sich zwischen benachbarten Wassermolekülen bilden beziehungsweise allgemeiner ausgedrückt: zwischen einem Wasserstoff-Atom und einem elektronegativen Atom wie Sauerstoff oder Stickstoff. Diese anziehenden Kräfte verändern die Geometrie und die elektronische Struktur des Moleküls. Wenn man flüssige Proben mit Röntgenmethoden untersucht, zeigen sich diese Kräfte in den Röntgenspektren, indem sie die verschiedenen Messsignale (Peaks) beeinflussen.

Kathrin Lange und ihre Kollegen vom HZB haben untersucht, welchen Einfluss die Wasserstoffbrückenbindungen auf ihre Röntgenemissionsspektren haben. Sie haben dazu in einer Messreihe zunächst reines Wasser untersucht und dieses dann zunehmend mit Acetonitril verdünnt. Die Vermischung mit Acetonitril führt zum Aufbrechen des Wasserstoffbrücken-Netzwerks zwischen den Wassermolekülen. Dieses Aufbrechen konnten die Wissenschaftler nun erstmals im Spektrum nachweisen: Sie fanden einen Peak, dessen Intensität innerhalb der Verdünnungsreihe abnahm, wobei die Intensitätsabnahme mit der geringer werdenden Anzahl von Wasserstoffbrückenbindungen korrellierte. Damit konnten sie diesen Peak als einen Sensor für Wasserstoffbrückenbindungen identifizieren.

Die Röntgenspektren haben die Wissenschaftler an der Synchrotronquelle BESSY II des HZB aufgenommen. An dem Messplatz hat die Gruppe um Prof. Emad Aziz dafür eine Mikrojet-Anlage aufgebaut. Erst damit war es möglich, flüssige Proben frei von Membranen mithilfe von Synchrotronstrahlung zu untersuchen.

Kathrin Lange betont, dass ihre Ergebnisse nicht nur für das System Wasser/Acetonitril Bedeutung haben. „Unsere Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt zum besseren Verständnis der Röntgenemissionspektren von Wasser aber auch ähnlicher Systeme mit Wasserstoffbrückenbindungen.“

Dr. Ina Helms | Quelle: Helmholtz-Zentrum
Weitere Informationen: www.helmholtz-berlin.de/