Helikale Moleküle haben, ähnlich einem Korkenzieher, eine Spiralform, die entweder links- oder rechtsdrehend sein kann. Solche „chiralen Moleküle“ können sich kollektiv zu großen links- oder rechtsdrehenden Strukturen organisieren (zusammenbauen). Diese weisen besondere optische Eigenschaften auf und erzeugen beispielsweise bei manchen Insekten prächtige Farben.
Die Mechanismen, durch die die lokale, korkenzieherartige Helizität die Händigkeit der großen supramolekularen Anordnungen erzeugt, sind noch nicht vollständig verstanden. Um sie zu erforschen, ist es sinnvoll, von einem einfacheren Problem auszugehen und zu untersuchen, wie sich Helizität auf die Gesamtstruktur einzelner Moleküle auswirkt.
Dafür eignen sich molekulare Knoten gut: Es gibt sie in rechts- und linksdrehender Form, und fast jedes ausreichend lange Molekül bildet Knoten, wie es Seile oder Kabel im Alltag tun. Darüber hinaus umfassen Knoten große Teile des Moleküls.
Eine bislang unklare Frage ist, ob die Richtung der helikalen Drehung auf der molekularen Skala die Händigkeit der größeren molekularen Knoten beeinflusst. Nehmen wir an, man hat eine linksdrehende Helix. Ist die Bildung links- oder rechtsgängiger Knoten wahrscheinlicher?
Ein Team um Kostas Daoulas, Gruppenleiter in der Abteilung von Kurt Kremer am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz, ist dieser Frage nun in Zusammenarbeit mit zwei Gruppen der Universität Mainz um Peter Virnau (Abteilung) nachgegangen für Physik) und Pol Besenius (Fakultät für Chemie). Ihre Ergebnisse sind veröffentlicht In ACS-Makrobuchstaben.
Die Forscher erstellten ein Rechenmodell, das die Verknotung eines Molekülstrangs simuliert. In ihrem theoretischen Modell haben die Forscher Kräfte in den Molekülstrang eingeführt, die für eine helikale Verdrehung sorgen. Sie können diese Verdrehung durch einen von ihnen eingestellten Parameter erhöhen oder verringern. Darüber hinaus bestimmt das Vorzeichen dieses Parameters – negativ oder positiv –, ob die helikale Drehung links- oder rechtsdrehend ist.
Die Wissenschaftler haben herausgefunden, dass diese innerhalb eines Moleküls eingebrachten Kräfte einen direkten Einfluss auf die Richtung der Knotenbildung des gesamten Moleküls haben. Wie stark das Molekül beeinflusst wird, hängt von der Stärke seines einstellbaren Parameters ab.
Ihr Modellsystem zeigt, dass die Abhängigkeit der Händigkeit der Knoten von der Richtung der Helix auf spezielle Strukturen zurückzuführen ist, die spontan auf dem Molekül entstehen: verdrehte „Zöpfe“, die aus zwei ineinander verschlungenen Teilen des helikalen Moleküls gebildet werden. Solche Motive der molekularen Packung könnten auch beim Zusammenbau mehrerer helikaler Moleküle zu optisch aktiven Strukturen eine Rolle spielen.
Mehr Informationen:
Yani Zhao et al.: Kann die Helizität von Polymeren die topologische Chiralität von Polymerknoten beeinflussen?, ACS-Makrobuchstaben (2023). DOI: 10.1021/acsmacrolett.2c00600