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Nichtlineare Infrarot‐Kurzzeitspektroskopie zur Charakterisierung Fluor‐Spezifischer Wechselwirkungen: Struktur, Dynamik und katalytische Determinanten von H∙∙∙F‐Netzwerken an Fluorido‐Komplexen und Metallopeptiden (Doktorarbeit)

Mittels ultraschneller und nichtlinearer Infrarot‐Spektroskopie werden strukturelle und dynamische Aspekte Fluor‐Spezifischer Wechselwirkungen aufgeklärt und quantifiziert. Komplementiert wird dieser experimentelle Ansatz durch quantenmechanische Modellierungen, die ein Verständnis schwingungsspektroskopischer Observablen sowie assoziierter molekularer Eigenschaften ermöglichen. Diese kombinierte Herangehensweise verspricht Einblicke in vielfältige Aspekte wie bspw. Bindungsstärken und ‐längen sowie die Natur Fluor‐Spezifischer Wechselwirkungen und deren zeitlicher Entwicklung. Im Fokus stehen hierbei Wechselwirkungen in der Koordinationssphäre katalytischer Metallzentren, insbesondere Wasserstoffbrückenbindungen unter Beteiligung fluorhaltiger Reaktanden oder fluorierter Liganden‐Systeme. Um ein tiefgehendes Verständnis dieser Wechselwirkungen sowie ihrer funktionsstiftenden Eigenschaften zu erlangen, werden drei Arten von Modellsystemen zunehmender Komplexität untersucht. (I) Grundlegende Aspekte der Struktur und Dynamik Fluorid‐vermittelter Wasserstoffbrückenbindungen werden durch Untersuchungen zur Wechselwirkung von Fluorwasserstoff mit kleinen Molekülen wie Triethylamin oder Pyridin aufgeklärt. (II) Aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen sowie mittels neu etablierter experimenteller und theoretischer Strategien sollen anschließend die Charakteristika von Wasserstoffbrückenbindungen in der Koordinationssphäre von Metall‐Komplexen sowie ihr Einfluss auf Hydrofluorierungsreaktionen untersucht werden. (III) Schlussendlich werden komplexe Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerke und weitere Fluor‐Spezifische Wechselwirkungen in Metall‐Komplexen von Peptiden mit fluorierten Aminosäuren aufgeklärt. In Summe versprechen diese Studien detaillierte Einblicke in die Charakteristika Fluor‐Spezifischer Wechselwirkungen in Metall‐Katalysatoren und zeigen das Potential Fluorid‐funktionalisierter Metalloenzyme auf.

Das Promotionsprojekt ist Teil des Sonderforschungsbereichs 1349 (Fluor-Spezifisch Wechselwirkungen), in dem 22 Arbeitsgruppen an fluorchemischen Fragestellungen forschen.

Geeignete Kandidaten und Kandidatinnen sollten über einen Hintergrund in den Bereichen Physik oder Physikalische Chemie verfügen. Vorkenntnisse zur (Photo-)Chemie (biologischer) Übergangsmetallzentren und – insbesondere – Erfahrung mit ultraschneller (Schwingungs-)Spektroskopie und gepulsten Lasern sind überaus hilfreich.

Das vierjährige Projekt soll am 01. Januar 2023 starten. Weitere Informationen sind auf Anfrage verfügbar. Bei Interesse an dem Projekt oder Fragen, wenden Sie sich bitte an Marius Horch. Weitere Details sowie eine offizielle Stellenausschreibung folgen in Kürze.


Studying and Steering Ultrafast Dynamics in Catalysis with Pulsed Light (Doktorarbeit)

Schnelle Grundzustandsreaktionen sind schwierig zu erforschen und deshalb häufig nicht hinreichend verstanden sowie schwer zu kontrollieren. Unter Nutzung der Modellenzyme [NiFe]-Hydrogenase und Acetly-CoA-Synthase sollen Strategien entwickelt werden, um mittels kurzer Lichtpulse komplexe katalytische Systeme zu erforschen und zu kontrollieren – entweder durch direkte Adressierung von reaktiven Metallzentren, die auch als Chromophore dienen können, oder durch Kopplung mit Photo-Aktivatoren. Durch die kombinierte Nutzung aktinischer Pulse im sichtbaren Spektralbereich sowie ultraschneller Infrarot-spektroskopischer Techniken verspricht dieser Ansatz detaillierte Einblicke in schnelle Elementareschritte und komplette Reaktionssequenzen – inklusive der frühesten und weitestgehend unerforschten Reaktionsschritte, die von zentraler Relevanz für die Katalyse sind. Auf diese Weise werden die geplanten Arbeiten auch einen Grundstein für die Kontrolle komplexer Reaktionen und gekoppelter Netzwerke mit Licht legen.

Das Promotionsprojekt ist Teil des Teamprojekts „Manipulating Ground-State Catalysis with Light – From Understanding to Control“, welches die Expertise von 13 Forschungsgruppen innerhalb des Exzellenzclusters Unifying System in Catalysis (UniSysCat) zusammenbringt.

Geeignete Kandidaten und Kandidatinnen sollten über einen Hintergrund in den Bereichen Physik oder Physikalische Chemie verfügen. Vorkenntnisse zur (Photo-)Chemie (biologischer) Übergangsmetallzentren und – insbesondere – Erfahrung mit ultraschneller (Schwingungs-)Spektroskopie und gepulsten Lasern sind überaus hilfreich.

Das dreijährige Projekt soll am 01. Januar 2023 starten. Weitere Informationen sind auf Anfrage verfügbar. Bei Interesse an dem Projekt oder Fragen, wenden Sie sich bitte an Marius Horch. Weitere Details sowie eine offizielle Stellenausschreibung folgen in Kürze.


Multidimensional in vivo Spectroscopy: Molecular Structure and Dynamics in Complex Biological Reaction Environments (Doktorarbeit)

Um eine auf lebenden Zellen aufbauende „grünere“ Chemie zu etablieren, planen wir das Design eines zellulären Systems, das Abfallstoffe und unbeschränkt verfügbares Sonnenlicht für die nachhaltige Produktion von Wasserstoff nutzen wird. Die Entwicklung eines solchen Systems verlangt ein molekulares und zelluläres Verständnis aller beteiligten Prozesse. Gemeinsam mit mehreren Partnern soll ein Ansatz für die Mehrkanal-in-vivo-Spektroskopie entwickelt werden, um die beteiligten biologischen Makromoleküle, relevante zytoplasmatische Einflussfaktoren und das Wechselspiel dieser beiden zellulären Schlüsselaspekte zu untersuchen. Diese Strategie soll sich auf das wasserstoffproduzierende Enzym – eine [NiFe]-Hydrogenase – konzentrieren und durch die Einführung ultraschneller und mehrdimensionaler Infrarot-Techniken zur Aufklärung von Struktur, Dynamik und Umgebungsinteraktionen etablierte in-vivo-spektroskopische Strategien erweitern. In Summe wird dieser Ansatz eine Orientierung für das rationale Design zellulärer Systeme liefern.

Das Promotionsprojekt ist Teil des Teamprojekts „Light-Supported H2 Production from Waste Material Using Living Cells“, welches die Expertise von 7 Forschungsgruppen innerhalb des Exzellenzclusters Unifying System in Catalysis (UniSysCat) zusammenbringt.

Geeignete Kandidaten und Kandidatinnen sollten über einen Hintergrund in den Bereichen Physik oder Physikalische Chemie verfügen. Vorkenntnisse zur (Photo-)Chemie (biologischer) Übergangsmetallzentren und – insbesondere – Erfahrung mit ultraschneller (Schwingungs-)Spektroskopie und gepulsten Lasern sind überaus hilfreich.

Das dreijährige Projekt soll am 01. Januar 2023 starten. Weitere Informationen sind auf Anfrage verfügbar. Bei Interesse an dem Projekt oder Fragen, wenden Sie sich bitte an Marius Horch. Weitere Details sowie eine offizielle Stellenausschreibung folgen in Kürze.


Simulation nichtlinearer Infrarot-Spektren von [NiFe]-Hydrogenase-Modellen zum Verständnis von Cofaktor-Umgebungs-Wechselwirkungen (Masterarbeit)

[NiFe] Hydrogenasen katalysieren als komplexe Metalloenzyme die Spaltung und Bildung von molekularem Wasserstoff, einem vollständig sauberen Treibstoff, dessen Verbrennung große Mengen Energie, aber keinerlei Treibhausgase freisetzt. Um diese kinetisch anspruchsvolle Reaktion zu ermöglichen nutzen [NiFe] Hydrogenasen ein einzigartiges katalytisches Metallzentrum, das ein Nickel-(Ni-) und ein Eisen-(Fe-)Ion enthält, wobei letzteres von drei biologisch ungewöhnlichen Liganden koordiniert wird, einem Kohlenmonoxid-Molekül (CO) und zwei Cyanid-Anionen (CN). Diese diatomischen Liganden sind von höchster Wichtigkeit, da sie (1) die elektronischen Eigenschaften des katalytischen Metall-Zentrums bestimmen und (2) als ortsspezifische und hochsensitive Sonden in Infrarot-(IR-)spektroskopischen Untersuchungen dienen können. Aus diesem Grunde nimmt die IR-Spektroskopie bereits seit langem eine Schlüsselrolle in der Hydrogenase-Forschung ein; strukturelle und elektronische Einblicke mittels konventioneller IR-Absorptionsexperimente sind jedoch limitiert.

Um diese Beschränkung zu überwinden haben wir kürzlich fortgeschrittene Varianten der IR-Spektroskopie wie IRpump-IRprobe und zweidimensionale Techniken in die Hydrogenase-Forschung eingeführt. Diese Techniken erlauben auf anderem Wege unzugängliche Einblicke in Bindungseigenschaften, Gleichgewichtsdynamik, Energietransfer-Phänomene, kohärente Atombewegungen und Interaktionen zwischen dem katalytischen Metallzentrum und der funktionalen Proteinumgebung. Das Verständnis der experimentellen Daten ist bisher jedoch durch deren inhärente Komplexität sowie das Fehlen geeigneter theoretischer Strategien für die Modellierung spektroskopischer Eigenschaften eingeschränkt.

Das angebotene Master-Projekt wird sich dieser Problematik durch Berechnung nichtlinearer IR-Spektren eines synthetischen Modell-Komplexes annehmen, der das einzigartige Fe(CO)(CN)2-Motif der [NiFe]-Hydrogenasen sowie dessen spektroskopische Eigenschaften nachbildet. Dieser Ansatz bietet zwei Vorteile: Zum einen umgeht das molekulare Modell die Komplexität des enzymatischen Vorbilds, zum anderen können Einflüsse der Proteinumgebung durch Analyse der Effekte verschiedener stark oder schwach interagierender Lösungsmittel systematisch untersucht werden. Unter Nutzung von Dichtefunktionaltheorie und Schwingungsstörungstheorie sowie expliziten und impliziten Lösungsmittelmodellen wird dieses theoretische Projekt experimentelle Arbeiten komplementieren und auf diese Weise substanziell zum Verständnis von [NiFe] Hydrogenasen sowie den einzigartigen spektroskopischen Eigenschaften von Metallcarbonylen und Metallcyanido-Komplexen im Allgemeinen beitragen.

Voraussetzung für die erfolgreiche Bearbeitung des Projekts sind solide Vorkenntnisse im Bereich Physik oder physikalische/theoretische Chemie. Ein gutes Grundverständnis chemischer Zusammenhänge sowie praktische Erfahrungen mit quantenchemischen Berechnungen, Schwingungsanalysen und/oder infrarotspektroskopischen Techniken sind vorteilhaft. Fragen können jederzeit an Marius Horch gerichtet werden.

M. Horch, J. Schoknecht, S. L. D. Wrathall, G. M. Greetham, O. Lenz, N. T. Hunt, „Understanding the Structure and Dynamics of Hydrogenases by Ultrafast and Two-Dimensional Infrared Spectroscopy“ Chem. Sci. 2019, 10, 8981–8989.

https://doi.org/10.1039/C9SC02851J


Einblicke in ungewöhnliche Fluor-vermittelte Wasserstoffbrückenbindungen mittels rechnerischer nichtlinearer Infrarot-Spektroskopie (Masterarbeit)

Fluorierte Verbindungen spielen sowohl in der chemischen Grundlagenforschung als auch in der angewandten Chemie eine zentrale Rolle, bspw. im Kontext medizinischer und pharmazeutischer Anwendungen oder im Bereich der Materialwissenschaft. Dies liegt an den einzigartigen Eigenschaften des Fluor, z.B. der hohen Elektronegativität und dem geringen Atomradius, die zu Fluor-spezifischen Wechselwirkungen wie ungewöhnlich starken, teils vernetzten Wasserstoffbrückenbindungen führen. So weist Bifluorid bspw. die stärkste bekannte Wasserstoffbrückenbindung auf, die als 2-Elektronen-3-Zentren-Bindung im Grenzbereich zwischen kovalenter Wechselwirkung und Wasserstoffbrückenbindung beschrieben werden kann.

Um ungewöhnliche Wasserstoffbrückenbindungen unter Beteiligung fluorierter Verbindungen zu verstehen bedarf es spektroskopischer Techniken, die Einblicke in die Potentialhyperfläche (potential energy surface, PES) der relevanten molekularen Addukte erlauben. Durch die Auswertung von Übergängen zwischen mehreren Schwingungsenergieniveaus liefern nichtlineare Varianten der Infrarot-(IR-)Spektroskopie detaillierte Informationen zur Form der PES. Mittels dieses Ansatzes konnte kürzlich gezeigt werden, dass Bifluorid eine stark anharmonische PES aufweist, die durch ausgeprägte Interaktionen zwischen verschiedenen Schwingungsfreiheitsgraden sowie einen nahtlosen Übergang zwischen stark anharmonischen und superharmonischen Bindungspotentialen charakterisiert ist.

Um diese Phänomene, die assoziierten nichtlinearen IR-Spektren sowie die Zusammenhänge zwischen diesen Aspekten und den einzigartigen Bindungseigenschaften fluorierter Verbindungen zu verstehen ist es nötig, Schwingungsübergänge und intermolekulare Wechselwirkungen – sowohl innerhalb als auch zwischen den durch Wasserstoffbrückenbindungen verknüpften Addukten – detailliert zu modellieren. Im Rahmen des angebotenen Master-Projekts soll dies durch Kombination der Dichtefunktionaltheorie mit schwingungsstörungstheoretischen Ansätzen und expliziten wie impliziten Lösungsmittelmodellen erreicht werden. Der Schwerpunkt wird hierbei auf Fluorwasserstoff-Addukten kleiner organischer Moleküle liegen. Die angestrebten theoretischen Studien werden geplante Experimente dirigieren und eine Grundlage für zukünftige Arbeiten an Fluor-vermittelten Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerken in synthetischen und bioinspirierten Katalysatoren schaffen.

Voraussetzung für die erfolgreiche Bearbeitung des Projekts sind solide Vorkenntnisse im Bereich Physik oder physikalische/theoretische Chemie. Ein gutes Grundverständnis chemischer Zusammenhänge sowie praktische Erfahrungen mit quantenchemischen Berechnungen, Schwingungsanalysen und/oder infrarotspektroskopischen Techniken sind vorteilhaft. Fragen können jederzeit an Marius Horch gerichtet werden.

B. Dereka, Q. Yu, N. H. C. Lewis, W. B. Carpenter, J. L. Bowman, A. Tokmakoff, „Crossover from Hydrogen to Chemical Bonding” Science 2021, 371, 160–164.

https://doi.org/10.1126/science.abe1951