Wasserstoffbrücken verhindern eine „Coulomb-Explosion“

Erstmals ist es Wissenschaftlern der Universität Rostock gelungen, theoretisch nachzuweisen, dass sich stabile Hexamer-Cluster-Strukturen ausbilden können. Die Bindungskräfte werden durch Wasserstoffbrücken aufgebracht, die aufgrund der spezifischen Struktur der Bindung die stark abstoßenden Coulomb-Kräfte überwinden.

Ungleiche Ladungen ziehen sich an, gleiche Ladungen stoßen sich ab. So lernen wir es in der Schulphysik, wenn die Wechselwirkung zwischen Ladungen, also das Coulomb-Gesetz besprochen wird. Die Arbeitsgruppe von Professur Ralf Ludwig aus der Physikalischen und Theoretischen Chemie der Universität Rostock konnte jetzt zeigen, dass die positiv geladenen Ionen, die Kationen, in einem Cluster nicht auseinanderfliegen, sondern durch sogenannte Wasserstoffbrücken zusammengehalten werden.

„Wasserstoffbrücken sind sehr wichtig für unser Leben. Sie bestimmen die Struktur von Wasser, Proteinen und DNA“, erläutert Ludwig. Dass die relativ schwachen Bindungskräfte der Wasserstoffbrücken aber die stark abstoßenden Kräfte zwischen gleich geladenen Teilchen kompensieren und damit eine chemische „Coulomb-Explosion“ verhindern können, hätten die Rostocker Forscher nicht gedacht.

In internationalen Kooperationen mit Yale und Houston in USA, Perth in Australien und Novosibirsk in Russland werden diese Cluster aus gleich geladenen Ionen mit unterschiedlichen experimentellen und theoretischen Methoden untersucht. Bevorzugt werden Kationen-Cluster ausgewählt, da die Kationen auch in ionischen Flüssigkeiten Anwendung finden.

Bisher konnten kationische Cluster in der Gasphase und in der Flüssigkeit nur bis zu einer Ladung von plus vier nachgewiesen werden. Dies gelang, weil schwach wechselwirkende Gegen-Ionen, in diesem Fall negative geladene Ionen, die Anionen, die stark abstoßenden Kräfte zwischen den Kationen deutlich abschwächen können.

In einer theoretischen Untersuchung konnten die Rostocker Physikochemiker nun zeigen, dass verstärkte Wasserstoffbrücken eine hochkomplexe Ringstruktur aus sechs Kationen zusammenhalten können. Eine solches Hexamer (Sechsring) ist sechsfach positiv geladen.

„Das Strukturmotiv ähnelt Sechsringen, wie wir sie von Eis, Wasser und Alkoholen her kennen“, ergänzt Ludwig. Auch wenn solch hochgeladene Cluster experimentell schwer nachzuweisen sind, so liefern die Berechnungen doch wichtige Hinweise für die Erzeugung und Charakterisierung solcher Cluster aus gleich geladenen Ionen. Ziel dieser Forschung ist es, mit solchen Hexamer-Clustern die Eigenschaften ionischer Flüssigkeiten steuern zu können.

Die Arbeit der Rostocker Forscher wurde mit einem Titelbild in der Zeitschrift „ChemPhysChem“ (https://doi.org/10.1002/cphc.201800584) ausgezeichnet. Darauf zu sehen sind neben dem berechneten sechsfach positiv geladenen Ringcluster sechs Katzen, die einander anziehen statt sich, wie eigentlich erwartet, abstoßen.

Das Forschungsprojekt wird finanziell von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt.

Prof. Dr. Ralf Ludwig
Physikalische und Theoretische Chemie
Institut für Chemie
Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (MNF)
Universität Rostock
Tel.: +49 381 498-6517
E-Mail: ralf.ludwig@uni-rostock.de
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