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

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

Forscher des IOCB Prag, des Instituts für Physik der Tschechischen Akademie der Wissenschaften und der Palatski-Universität Olomouc haben erneut große Fortschritte bei der Entschlüsselung der Geheimnisse der Welt der Moleküle und Atome gemacht. Sie bestätigten experimentell eine seit langem bestehende Theorie, 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 befinden sich Elektronen in Wolken oberhalb und unterhalb der Ebene der Kohlenstoffatome. Wenn wir die umgebenden Wasserstoffatome durch elektronegativere Atome oder Atomgruppen ersetzen, die die Elektronen abziehen, verwandeln sich die ursprünglich negativ geladenen Wolken in positiv geladene Elektronenlöcher.

Professor Pavel Hobza, Distinguished Chair und Leiter der Gruppe für nichtkovalente Wechselwirkungen 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-Autoren, Bruno de la Torre vom Tschechischen Institut für fortgeschrittene Technologie und Forschung (CATRIN) an der Palatski-Universität Olomouc, betont, ist der Erfolg des hier beschriebenen Experiments vor allem auf die hervorragenden Einrichtungen seiner Heimatinstitution zurückzuführen und die hervorragende Doktorandenbeteiligung 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 darüber, was beobachtet werden kann.“ mit dieser Technik.

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 die beispiellose räumliche Auflösung in vollem Umfang. Vor einiger Zeit bestätigten sie die Existenz einer unregelmäßigen Verteilung der Elektronendichte um Halogenatome, der sogenannten σ-Löcher. Dieser Erfolg wurde 2021 veröffentlicht von Wissenschaften. Die bisherigen und aktuellen Forschungsergebnisse wurden 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 verdeutlicht voll und ganz die Qualität der theoretischen Vorhersagen der Quantenchemie, die seit Jahrzehnten für beide Phänomene verantwortlich sind. Sie zeigt, dass sie es können.“ Man kann sich auch dann darauf verlassen, wenn keine Experimente vorliegen“, 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 Ladungsverteilung des Elektrons wird der wissenschaftlichen Gemeinschaft überhaupt erst dabei helfen, viele chemische und biologische Prozesse zu verstehen. Auf praktischer Ebene wird dies dazu führen, dass neue Supermoleküle aufgebaut und anschließend fortschrittliche Nanomaterialien mit verbesserten Eigenschaften entwickelt werden können.

Referenz: „Visualisierung eines π-Lochs in Molekülen durch Kelvin-Probe Force Microscopy“ 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