Ursache der Chiralität auf der Spur

Das völlig unter­schiedliche Aroma von Minze und Kümmel wird von ein- und demselben Molekül verursacht. Das Besondere daran: Dieses Molekül existiert in zwei Formen, die chemisch identisch sind, sich aber wie Bild und Spiegelbild zueinander verhalten und daher im Körper an unterschiedliche Geruchs­rezeptoren andocken. Wissen­schaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Siegen ist es gelungen, dem Ursprung dieser Chiralität auf den Grund zu gehen. Sie haben dazu eine neuartige Laser-Mess­apparatur entwickelt. 

„Chirale Moleküle haben einzigartige Eigenschaften, die sie für viele Material­­anwendungen interessant machen“, sagt Kawon Oum von der Universität Siegen. Ein Beispiel sind Polymer-Dünn­schichten, die chirales Licht aussenden und erkennen können – je nachdem, ob das chirale Licht links- oder rechtsdrehend ist. „Mit solchen chemischen Strukturen könnte man in Zukunft zum Beispiel Computer-Displays einfacher herstellen als bisher. Auch als zusätzliche Sicher­heits-Marker auf Geldscheinen wären sie denkbar“, erklärt Thomas Lenzer. Mehr über die Eigenschaften solcher Molekül-Verbindungen zu erfahren, um zum Beispiel die Stärke der Chiralität in Zukunft gezielt steuern zu können, war ein Ziel der Chemiker. „Eine ungeklärte Frage in diesem Zusammenhang war, ob die Chiralität eine Eigen­­schaft der einzelnen Moleküle ist – oder ob sie auf die Art und Weise zurück­zuführen ist, wie die Molekül-Ketten innerhalb der Dünnschicht angeordnet sind“, erläutern Doktorand Marius Morgenroth und Nachwuchs­­gruppen-Leite Mirko Scholz.

Um chemische Reaktionen von chiralen Verbindungen optisch verfolgen zu können, hat das Siegener Team zunächst einen speziellen Aufbau für die Mikroskopie entwickelt. Das Herzstück war jedoch das Design einer neuen Laser-Mess­­apparatur, die hinsichtlich ihrer Zeitauflösung und spektralen Abdeckung bisher so noch nicht verfügbar war. „Mit dieser Neuentwicklung können wir chemische Prozesse sichtbar machen, die in unvorstellbar kurzen Zeit­­einheiten ablaufen“, erklärt Lenzer. Mit dieser neuen und hoch­sensiblen Messtechnik konnten die Siegener Wissen­schaftler den Ursprung der Chiralität in den untersuchten Verbindungen klar nachweisen: Die Messungen haben gezeigt, dass dieses besondere Phänomen nicht auf die Beschaf­fen­heit einzelner Moleküle zurück­zuführen ist, sondern auf die Art und Weise, wie die Molekül-Ketten in den Verbindungen oder Dünnschichten angeordnet sind.

„Die chirale Anordnung der Schichten kann man sich wie einen Stapel Toastbrot-Scheiben vorstellen, bei dem jede Scheibe regelmäßig um einen kleinen Winkel gegen die darunter liegende verdreht ist“, erklärt Marius Morgenroth. „Je nachdem, in welche Richtung man die Scheiben verdreht, bekommt man eine rechts- oder links­drehende Spirale, die sich spiegel­bildlich zu ihrem Gegenüber verhält. Über die Zahl der Stapel kann man die Stärke der Chiralität steuern.“ Unterstützung für ihre Forschungs­­arbeit haben die Siegener Forschenden aus Südkorea bekommen: Die Korea-Universität in Seoul stellte ihnen die chiralen Molekül-Ketten zur Verfügung, aus denen anschließend in Siegen die Dünn­schichten für die Messungen hergestellt wurden.

„Wir möchten unsere Arbeit in diesem Bereich auf jeden Fall fortsetzen“, sagen Oum und Lenzer. „Ein Traum dabei ist es, unsere Mess­methoden noch empfind­­licher zu machen. Dann könnte es uns gelingen, anhand von Änderungen der Chiralität ultra­­schnelle Struktur­verän­derungen während einer chemischen Reaktion direkt zu verfolgen. Daraus könnte sich in Zukunft eine Alter­native zu zeit­aufgelösten Röntgen­­methoden entwickeln.“

U. Siegen / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Morgenroth et al.: Mapping the broadband circular dichroism of copolymer films with supramolecular chirality in time and space, Nat. Commun. 13, 210 (2022); DOI: 10.1038/s41467-021-27886-1
• Fachbereich Chemie & Biologie, Universität Siegen
• Dept. of Chemistry, Research Institute for Natural Sciences, Korea University, Seoul, Südkorea