Enthüllung der geheimnisvollen Welt der Moleküle – Wissenschaftler bestätigen eine jahrzehntealte Theorie

Die Forscher haben experimentell eine seit langem bestehende Theorie bestätigt, die besagt, dass die Elektronendichte in aromatischen Molekülen ungleichmäßig verteilt ist.

Forscher des IOCB Prag, des Instituts für Physik der Tschechischen Akademie der Wissenschaften und der Palatske-Olmütz-Universität haben erneut große Fortschritte bei der Entschlüsselung der Geheimnisse der Welt der Moleküle und Atome gemacht. Sie bestätigten experimentell eine seit langem bestehende Theorie, die besagt, dass die Elektronendichte in aromatischen Molekülen nicht gleichmäßig verteilt ist.

Dieses Phänomen hat großen Einfluss auf die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Molekülen und ihre Wechselwirkungen. Diese Forschung erweitert die Möglichkeiten für die Gestaltung neuer Nanomaterialien und ist Gegenstand einer gerade veröffentlichten Arbeit Naturkommunikation.

Das gleiche Autorenteam wie bei ihrer vorherigen bahnbrechenden Studie, veröffentlicht in Wissenschaften Beschreiben Sie die unregelmäßige Verteilung der Elektronen in… Mais, das sogenannte Loch σ. Jetzt haben Forscher die Existenz des sogenannten π-Lochs bestätigt. In aromatischen Kohlenwasserstoffen finden wir Elektronen in Wolken oberhalb und unterhalb der Ebene der Kohlenstoffatome. Wenn wir die umgebenden Wasserstoffatome durch elektronegativere Atome oder Atomgruppen ersetzen, die Elektronen abziehen, verwandeln sich die ursprünglich negativ geladenen Wolken in positiv geladene Elektronenlöcher.

Professor Pavel Hobza, Distinguished Chair und Leiter der Gruppe Nichtkovalente Reaktionen am IOCB Prag. Bildnachweis: Thomas Bellon / IOCB Prag

Wissenschaftler haben die fortschrittliche Methode der Rasterelektronenmikroskopie übernommen und ihre Möglichkeiten noch weiter ausgebaut. Diese Methode arbeitet mit subatomarer Auflösung und kann daher nicht nur Atome in Molekülen, sondern auch die Struktur der Elektronenhülle eines Atoms abbilden. Wie einer der Co-Forscher, Bruno de la Torre vom Tschechischen Institut für Spitzentechnologie und Forschung (CATRIN) an der Palatske-Universität Olomouc, betont, ist der Erfolg des hier beschriebenen Experiments vor allem auf die hervorragenden Einrichtungen seiner Heimatinstitution zurückzuführen und der ausgezeichnete Doktortitel des Instituts. Studenten.

„Dank unserer bisherigen Erfahrungen mit der Kelvin-Probe-Force-Microscopy-Technologie (KPFM) konnten wir unsere Messungen verbessern und sehr vollständige Datensätze erhalten, die uns dabei halfen, nicht nur unser Verständnis darüber zu vertiefen, wie Ladung in Molekülen verteilt ist, sondern auch, was alles möglich ist.“ mit dieser Technik beobachtet.

Experimentelle Messungen bestätigten theoretische Vorhersagen über die Existenz eines π-Lochs. Von links nach rechts: chemische Struktur des untersuchten Moleküls, berechnete Karte des elektrostatischen Potentials des Moleküls, experimentelle Kelvin-Sondenkraftmikroskopaufnahme (KPFM) und simuliertes KPFM-Bild. Bildnachweis: IOCB Prag

Die moderne Kraftmikroskopie ist seit langem die Domäne der Forscher am Institut für Physik. Nicht nur bei molekularen Strukturen nutzten sie in höchstem Maße eine beispiellose räumliche Auflösung. Vor einiger Zeit bestätigten sie die Existenz einer ungleichmäßigen Verteilung der Elektronendichte um Halogenatome, sogenannte σ-Löcher. Dieser Erfolg wurde 2021 veröffentlicht von Wissenschaften. Die bisherige und aktuelle Forschung wurde maßgeblich von einem der heute am häufigsten zitierten tschechischen Wissenschaftler, Professor Pavel Hobza vom Institut für Organische Chemie und Biochemie der Tschechischen Akademie der Wissenschaften (IOCB Prag), beigetragen.

„Die Bestätigung der Existenz des π-Lochs sowie des ihm vorausgehenden σ-Lochs beweist voll und ganz die Qualität der theoretischen Vorhersagen der Quantenchemie, die seit Jahrzehnten für beide Phänomene verantwortlich ist. Sie zeigt, dass sie es sein können.“ auf die man sich auch dann verlassen kann, wenn es keine verfügbaren Experimente gibt“, sagt Pavel Hobza.

Die Ergebnisse der Forschung tschechischer Wissenschaftler auf subatomarer und submolekularer Ebene können mit der Entdeckung kosmischer Schwarzer Löcher verglichen werden. Auch über sie wurde jahrzehntelang theoretisiert, bevor ihre Existenz experimentell bestätigt wurde.

Eine bessere Kenntnis der Elektronenladungsverteilung wird der wissenschaftlichen Gemeinschaft helfen, viele chemische und vor allem biologische Prozesse zu verstehen. Auf praktischer Ebene wird dies dazu führen, dass neue Supermoleküle konstruiert und anschließend fortschrittliche Nanomaterialien mit verbesserten Eigenschaften entwickelt werden können.

Referenz: „Visualisierung von π-Löchern in Molekülen durch Kelvin-Sondenkraftmikroskopie“ von B. Mallada, M. Ondráček, M. Lamanec, A. Gallardo, A. Jiménez-Martín, B. de la Torre, P. Hobza und B . . Jelinek, 16. August 2023, Naturkommunikation.
doi: 10.1038/s41467-023-40593-3