03.07.2018

Rasterkraftmikroskopie ermöglicht visuelle Bestimmung der Chiralität chemischer Verbindungen



Louis Pasteur, einer der Begründer der Mikrobiologie, soll gesagt haben: "Die Rolle des unendlich Kleinen in der Natur ist unendlich groß." Dieser Satz passt auch zu Pasteurs bahnbrechenden Studien zur molekularen Chiralität, also der spiegelverkehrten Anordnung von Atomen innerhalb eines Moleküls. Diese kann die Eigenschaften von Molekülen maßgeblich bestimmen.

Ein bekanntes Beispiel hierfür ist die Wahrnehmung chiraler Duftstoffe: So riecht das D-Limonen angenehm nach Orange, während das exakt spiegelbildlich aufgebaute L-Limonen ganz anders - nämlich nach Pinie bzw. Terpentin - duftet. In der Biologie existieren viele Moleküle fast ausschließlich in einer der beiden Formen. Diese sogenannte Homochiralität wird beispielsweise für D-Glucose (Traubenzucker) beobachtet, bei der es sich um die wichtigste Energiequelle für die Zellatmung, also den Stoffwechsel handelt. Dagegen ist ihr synthetisch hergestelltes Spiegelbild L-Glucose für lebende Organismen nutzlos.

Weshalb sich Spiegelbilder derselben chemischen Substanz so unterschiedlich verhalten konnte die Wissenschaft noch nicht völlig entschlüsseln - es ist schwer, Chiralität auf der Ebene einzelner Moleküle zu untersuchen. Obwohl die analytischen Techniken seit den Zeiten von Pasteur enorm verbessert wurden, war es bislang immer noch unmöglich, nur durch visuelle Beobachtung die Chiralität einzelner Moleküle zu bestimmen. Wissenschaftler der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) sind jetzt auf diesem Gebiet einen großen Schritt vorangekommen. Arbeitsgruppen aus der Angewandten Physik (Prof. Dr. André Schirmeisen) und der Organischen Chemie (Prof. Dr. Peter R. Schreiner) konnten erstmalig demonstrieren, dass sich mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie die Chiralität von einzelnen dreidimensionalen Molekülen allein durch eine visuelle Untersuchung bestimmen lässt.

Dies hat besonders auf die Fachgebiete der Chemie, Biologie und Medizin weitreichende Auswirkungen, da die Chiralität von Molekülen zum Beispiel im menschlichen Körper eine sehr große Rolle spielt. Die vorgestellte Methode stellt ein neues Mittel dar, um die grundlegenden Prozesse, wie die so genannte "molekulare Erkennung", die hinter dem unterschiedlichen Verhalten von Molekülen und ihren Spiegelbildern stecken, mit einer Präzision zu untersuchen, die bislang als unerreichbar galt.

In der Studie, die jetzt in "Nature Communications" veröffentlicht wurde, ist es erstmalig gelungen, die absolute Konfiguration, also die tatsächliche Anordnung der Atome innerhalb einer chiralen Verbindung, von einzelnen [123]Tetramantan Molekülen auf einer Kupferoberfläche zu bestimmen. Um zu demonstrieren, dass sich die Methode zur Untersuchung beliebiger dreidimensionaler Moleküle eignet, wurde [123]Tetramantan (C22H28) als Testobjekt gewählt, da es sich hierbei um die kleinste chirale Verbindung aus der Gruppe der Diamantoide handelt. Aufgrund ihrer kleinen Größe und ihrer dreidimensionalen Struktur ist für diese Art von Molekülen weder eine eindeutige Zuordnung der Chiralität noch der Ausrichtung mit Hilfe der bisher genutzten Rastertunnelmikroskopie möglich.

Dies gelingt jedoch durch die Verwendung der sog. "Bond-Imaging"-Technik, bei der die Messspitze des Tieftemperatur-Rasterkraftmikroskops mit einem einzelnen CO-Molekül funktionalisiert wird. Dieser "kleine Trick", der die laterale Auflösung enorm verbessert, wurde vor einigen Jahren eingeführt und ist mittlerweile zu einem unersetzlichen Instrument für die Untersuchung von flachen aromatischen Molekülen geworden. Da bei dieser Methode die Messspitze ohne Abstandsregelung über die Probenoberfläche geführt wird, bleibt die Untersuchung von dreidimensionalen Objekten jedoch schwierig. Dieses Fehlen einer Abstandsregelung wurde durch die Forscher der JLU durch das Abrastern der Oberfläche entlang vordefinierter Höhenprofile umgangen, was letztendlich die Bestimmung der absoluten Konfiguration der [123]Tetramantan-Moleküle gestattete.

Damit stellt dieser Ansatz ein neues Mittel für die Untersuchung von molekularen Erkennungsprozessen dar, wodurch das Verständnis über die Rolle der Chiralität in der Natur wesentlich erweitert werden kann. Außerdem gehen die Gießener Forscher davon aus, dass sich durch weitere Verfeinerungen der "Bond-Imaging"-Methode fundamentale Fragestellungen aus dem Bereich der molekularen Chemie adressieren und beantworten lassen, die bisher schlicht nicht zugänglich waren.

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Quelle: Universität Gießen




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