Beherrschung chemischer Spiegelbilder

Chiralität ist zwar keine Seltenheit in der Welt der Moleküle, aber dennoch eine besondere Eigenschaft. Wenn ein Molekül chiral ist (von griechisch chiros = Hand), existiert es in zwei gespiegelten Versionen, die sehr ähnlich, aber nicht identisch sind – wie zwei Hände, die man zusammenfalten, aber nicht deckungsgleich übereinander legen kann. Deshalb sprechen wir von rechtshändigen und linkshändigen Molekülen oder Enantiomeren, was auf Griechisch „entgegengesetzte Form“ bedeutet.

Ein internationales Team von Wissenschaftlern des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft und des Prokhorov General Physics Institute der Russischen Akademie der Wissenschaften hat einen Weg gefunden, diese Moleküle separat zu behandeln. Da sich chirale Moleküle sehr ähnlich sind, ist dies eine echte Herausforderung. „Der Trick besteht darin, sie so elektromagnetischer Strahlung auszusetzen, dass nur eine ‚Hand‘, also ein Enantiomer, reagiert. Dadurch können wir gezielt rechts- oder linkshändige Moleküle ansteuern und mehr über sie erfahren“, sagt Dr Sandra Eibenberger-Arias, Leiterin der Gruppe Kontrollierte Moleküle am Fritz-Haber-Institut.

Das zu lernen ist wichtig, denn Enantiomere haben teilweise sehr unterschiedliche biologische und chemische Eigenschaften, für die nach Erklärungen gesucht wird. Nehmen wir zum Beispiel das chirale Molekül Carvon: Eine „Hand“ riecht nach Minze, die andere nach Kümmel. Oder das berüchtigte Beruhigungsmittel Thalidomid, das nach seinem Wirkstoff, einem chiralen Molekül, benannt ist: Während die eine Form die beabsichtigte sedierende Wirkung hatte, verursachte die andere Geburtsfehler. Die Gruppe um Eibenberger-Arias untersucht die physikalischen Eigenschaften chiraler Moleküle. „Die Theorie sagt einen kleinen Energieunterschied zwischen den beiden Enantiomeren aufgrund einer sogenannten Paritätsverletzung voraus. Experimentell konnte dies bisher jedoch nicht gezeigt werden“, erklärt JuHyeon Lee vom Fritz-Haber-Institut, Erstautorin der veröffentlichten Ergebnisse, die in der Zeitschrift erschienen ist Briefe zur körperlichen Überprüfung.

Mit einer geschickten Kombination verschiedener Methoden ist die Wissenschaftlergruppe diesem Ziel jedoch ein Stück näher gekommen. Sie bestrahlen chirale Moleküle in der Gasphase mit UV-Strahlung und Mikrowellen. Dadurch werden rechts- und linkshändige Moleküle durch Veränderung der Mikrowellenstrahlung in unterschiedliche Rotationszustände versetzt. Damit haben die Forscher mehr denn je Kontrolle darüber, welche „Hand“ sich in welchem ​​Rotationszustand befindet. Sie haben auch zum ersten Mal experimentelle Ergebnisse mit genauen Vorhersagen aus der Theorie verglichen, was zu einem besseren Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Effekte führte.

Während eine vollständige Trennung der Enantiomere mit dieser Methode möglicherweise noch nicht erreicht werden kann, ist es bemerkenswert, dass sie überhaupt so erfolgreich kontrolliert werden konnte. Dies widerspricht der oft verwendeten vereinfachten Darstellung, dass sie die gleichen physikalischen Eigenschaften haben. „Wenn das so wäre, könnten wir die Enantiomere nicht mit physikalischen Methoden kontrollieren“, sagt Sandra Eibenberger-Arias. Das internationale Team aus drei Wissenschaftlerinnen und drei Wissenschaftlern hat damit eine gute Grundlage für Folgeexperimente und vielleicht sogar für den experimentellen Nachweis der Paritätsverletzung gelegt. Das wäre ein Meilenstein für die Grundlagenforschung – und auch für alle zukünftigen Anwendungen.

Zur Verfügung gestellt vom Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft