Wissenschaftler vom Departement für Chemie der Universität Freiburg haben den Ablauf  der Spaltung des Ameisensäuremoleküls durch Elektronen geklärt. Das Problem war Gegenstand einer intensiven wissenschaftlichen Debatte. Sie nutzten die Tatsache, dass zwei Wasserstoffatome im Ameisenmolekül durch Deuterium ersetzt werden können. Diese selektive Deuterierung brachte ein neues Verständnis der durch Elektronen erzeugten Spaltungen, das auch an komplexeren Biomolekülen anwendbar ist.

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Die Forscher der Universität Freiburg fanden eine Lösung des Problems um eine Debatte, welche sich zwei amerikanische Forschungsgruppen bezüglich des Ablaufs der Spaltung des Ameisensäuremoleküls (HCOOH) durch Elektronen lieferten. Die Forschungsgruppe der Universität von Nebraska, Lincoln, hatte vorgeschlagen, dass die schwächste Verbindung im Molekül gezielt gespaltet wird. Eine andere Forschungsgruppe an der Universität von Kalifornien, Berkeley, hatte dagegen einen ganz anderen Mechanismus vorgeschlagen: Die Spaltung der schwächsten Bindung ist nur nach einer Deformation der gesamten Molekülstruktur möglich. Das Freiburger Forschungsteam um Dr. Juraj Fedor und Prof. Michael Allan hat nun die Tatsache genutzt, dass zwei Wasserstoffatome des Ameisensäuremoleküls durch Deuterium ersetzt werden können.

Deuterium hat die gleichen chemischen Eigenschaften wie Wasserstoff, ausser, dass es zwei Mal schwerer ist und sich aufgrund dessen langsamer bewegt. Durch eine sorgfältige Beobachtung, wie eine selektive Deuterierung den Reaktionsausgang beeinflusst, konnte nachgewiesen werden, dass die Zerlegung des Ameisensäuremoleküls durch direkte Spaltung der schwächsten Bindung erfolgt und dass das Molekül während des Prozesses seine Struktur nicht zu ändern braucht. Diese Erkenntnis ebnet den Weg zu einem neuen mikroskopischen Verständnis der durch Elektronen erzeugten Spaltungen in komplexeren Biomolekülen.

Ablauf der Spaltung von Molekülen verstehen

Jede chemische Reaktion ist auf molekularer Ebene grundsätzlich eine Umstrukturierung von Atomen in Molekülen. Eines der wichtigsten Ziele der Chemie ist es, den Ablauf dieser Umstrukturierung zu verstehen – nachzuvollziehen wie genau sich Atome während chemischer Reaktionen bewegen. Eine interessante Möglichkeit wie diese Umstrukturierung herbeigeführt werden kann ist die Anlagerung eines Elektrons, infolge deren sich das Molekül zersetzt. Dieser Prozess ist wichtig in biologischen Systemen, wo man sich eine solche molekulare Spaltung zum Beispiel bei der Strahlentherapie zunutze macht. Wissenschaftler möchten deshalb die genauen Prozesse einer solchen Wechselwirkung verfolgen.

Die theoretische Beschreibung stösst dabei aber gegenwärtig an eine Grenze: Die Materie auf molekularer Ebene folgt den Gesetzen der Quantenmechanik und um das Verhalten der Atome während einer Reaktion vorherzusagen, müssen komplizierte mathematische Gleichungen gelöst werden. Auch mit schnellsten Computern sind einschneidende Näherungen notwendig, so dass es nicht gelingt, den Reaktionsablauf zuverlässig vorherzusagen. Dadurch kam die anfangs erwähnte Kontroverse zwischen zwei theoretischen Gruppen zustande. Die Arbeit von Freiburger Forschern hat nun diese Kontroverse zugunsten der einen theoretischen Methode entschieden. Diese Erkenntnis erlaubt eine weitere Entwicklung der Theorie.

Die Forschungsresultate wurden in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters publiziert:
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v111/i21/e213201


Kontakt: Dr. Juraj Fedor, Departement für Chemie, juraj.fedor@unifr.ch, 026 300 86 97