Visualisierung chemischer Prozesse mittels Einzelmolekül-Fluoreszenz-Mikroskopie

Abstract

Chemische Systeme werden aus Milliarden einzelner Reaktionsereignisse mit oft komplexen molekularen Zusammenhängen gebildet. Mit einem über das Gesamtsystem gemittelten Signal können überlagerte, heterogene Prozesse übersehen werden. In der Einzelmolekülchemie (single-molecule chemistry – SMC) werden Reaktionsprozesse mikroskopisch betrachtet und einzelne Ereignisse miteinander verglichen. So werden zusätzlich zu gemittelten kinetischen Parametern, mechanistische Subspezies, z.B. seltene Intermediate, und kinetische Verteilungen aufgedeckt. Die vorliegende Arbeit schlägt die Brücke von der experimentellen Planung, der Probenvorbereitung bis hin zur Ausführung und Datenauswertung eines Einzelmolekülversuchs anhand eines metallorganischen Reaktionssystems. Zunächst wurde ein Prismen-basiertes internes Totalreflexionsfluoreszenzmikroskop (TIRFM) für Einzelmolekül-(SM-)Experimente konzipiert und validiert. Anschließend wurde eine Probenvorbereitungsroutine etabliert, mit welcher immobile Sensoren homogener Reaktivität, vergleichbar zu Sensoren in Lösung, generiert werden konnten. Die Pd-katalysierte Tsuji-Trost Deallylierung wurde an den eingeführten dual-emissiven Sensoren im Ensemble und im SM-Experiment studiert. Aus den erhaltenen Daten wurden anhand automatischer Auswertungsroutinen einzelne Reaktionsschritte und deren Kinetiken extrahiert. Dabei konnte die Bildung eines kurzlebigen Intermediats der Katalyse aufgedeckt werden, welches unter Ensemblebedingungen verborgen blieb.

Chemical systems consist of billions of individual reaction events with often complex molecular relationships. A signal, averaged over the entire system can also originate from superimposed, heterogeneous processes. Single-molecule chemistry (SMC) is designated to inspect reaction processes microscopically and compare the extracted reaction events. This way, mechanistic subspecies, e.g. rare intermediates, and distributions of kinetic behavior in addition to the mean kinetic parameters are obtained. The presented work enfolds experimental design, substrate preparation as well as execution and data analysis of a single-molecule experiment on a metal-organic showcase reaction. At first, a prism-based total internal reflection fluorescence microscope (TIRFM) was implemented and validated for recording single dye-molecules. Second, a surface preparation routine was established, which allowed for generation of immobile, homogeneously reactive single-molecule species, comparable to their counterparts in solution. Third, the Pd-catalyzed Tsuji-Trost deallylation of the introduced dual-emissive sensor was studied and compared in ensemble and single-molecule measurements. The individual reaction steps and their kinetics were derived by means of automated data analyzation routines. As a result, the formation of a short-lived intermediate, hidden in ensemble measurements, was deciphered.