protonentransfer

Protonentransfer ist die Übertragung eines Protons (H+, Wasserstoffion) von einem Protonendonator zu einem Protonenakzeptor. Er tritt in vielen chemischen Reaktionen auf und spielt eine Schlüsselrolle in Säure-Base-Reaktionen, Katalyse und Biologie. Je nach beteiligtem Molekül kann der Transfer intramolekular (zwischen Teilen desselben Moleküls) oder intermolekular (zwischen zwei Molekülen oder Gruppen) erfolgen.

Mechanismen: Der Transfer kann als Schrittreaktion oder konzertierter Vorgang erfolgen. In Lösungen mit Wasser erfolgt oft der Grotthuss-ähnliche Protonentransfer durch Wasserstoffbrückenketten, wodurch Protone quasi durch das Netzwerk weitergegeben werden. In vielen Systemen wird der Transfer durch das Konzept des Proton-Coupled Electron Transfer (PCET) betrachtet, bei dem Protonen- und Elektronentransfer gekoppelt stattfinden.

Relevante Kontexte: In der Chemie bestimmt die Differenz der pKa-Werte von Donor und Akzeptor die Thermodynamik; in der Biologie ermöglichen Protonentransfers die Energieumwandlung in Membranen, enzymatische Reaktionen und Pufferprozesse. Protonentransport in Festkörpern und Membranen ist auch grundlegend für Brennstoffzellen und andere elektrochemische Anwendungen.

Messung und Theorie: Experimentell werden Kinetik, isotopische Substitution (Deuterium), NMR, IR- und UV-Vis-Spektroskopie verwendet. Theoretisch werden pKa, Reaktionskoordinaten, QM/MM-Methoden und Reaktionspfadberechnungen eingesetzt, um Barrieren und Übergangszustände zu beschreiben.