Einzelmolekülchemie am Beispiel der Metathese-Reaktion

• Antragsteller: Professor Dr. Gregor Jung; Professor Dr. Hans-Robert Volpp, seit 8/2019
• Fachliche Zuordnung: Analytische Chemie ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 329205974

Die Beschreibung chemischer Reaktionen basiert auf der Vorstellung einzelner Moleküle, doch in der experimentellen Umsetzung kann nur das Reagens oder Material beobachtet werden, nicht aber die Moleküle, aus denen es besteht. Das tiefe Verständnis der Chemie erfordert somit ein immenses Abstraktionsvermögen, um von den physikalischen Eigenschaften der Materialien auf deren molekularen Eigenschaften zu schließen. Ein direkter Zugang zur Dynamik einzelner Moleküle verspricht daher nicht nur einen größeren Erkenntnisgewinn, sondern auch eine signifikante Vereinfachung des Verständnisses der Chemie. In einer kürzlich veröffentlichten Arbeit konnten die Antragsteller anhand der relativ einfachen Epoxidierung von Doppelbindungen zeigen, dass neben dem in Lehrbüchern verbreiteten Mechanismus ein bisher unentdeckter, paralleler Reaktionsweg zum selben Produkt existiert. Die experimentelle Grundlage dieser Arbeiten sind Fluoreszenzsonden, deren spektroskopische Eigenschaften im Verlauf der chemischen Transformation verändert werden. Die zeitaufgelöste Beobachtung der spektroskopischen Änderung erfolgt in einer speziellen Probenkammer mit Hilfe der einzelmolekülempfindlichen TIRF-Mikroskopie. Im vorliegenden Antrag wird beabsichtigt, dieses Konzept auf eine gut, aber nicht vollständig verstandene metallorganische Reaktion, die Ruthenium-katalysierte Metathese-Reaktion, zu übertragen und damit die Konzentrationslücke für eine Reaktion mit erheblicher synthetischer Bedeutung zu schließen. In den umfangreichen Vorarbeiten zur Metathese, die kinetische Studien, kristallographische Strukturen der Reaktionspartner und -produkte sowie ihre fluoreszenzspektroskopische Charakterisierung bis zum Einzelmolekülniveau umfassen, konnten Hinweise sowohl auf einen assoziativen als auch einen dissoziativen Mechanismus in der Katalyse-Initiationsreaktion gefunden werden. Es ist deshalb geplant, mit immobilisierten Reaktiv-Farbstoffen zu arbeiten und die kontrollierte Zugabe von Reagentien in Mikrokanälen zu etablieren. Ziel des Projektes ist es, eine möglichst praktikable Technik der Einzelmolekülchemie zu realisieren und dabei beispielhaft die elementaren Schritte der Initiationsreaktion der Ruthenium-katalysierten Metathese im Hinblick auf die Regioselektivität der Reaktion zu visualisieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Dirk-Peter Herten, bis 7/2019