Die lichtgesteuerte Methode erzeugt eine molekulare Passung, die sonst unmöglich wäre

Einem Team unter der Leitung von Prof. Alberto Credi von der Universität Bologna ist es mithilfe einer genialen Kombination aus photochemischen (d. h. lichtinduzierten) Reaktionen und Selbstorganisationsprozessen gelungen, ein fadenförmiges Molekül in den Hohlraum eines ringförmigen Moleküls einzuführen. gemäß einer Hochenergiegeometrie, die im thermodynamischen Gleichgewicht nicht möglich ist. Mit anderen Worten: Licht ermöglicht die Herstellung einer molekularen „Passung“, die sonst nicht zugänglich wäre.

„Wir haben gezeigt, dass durch die Einwirkung von Lichtenergie auf eine wässrige Lösung verhindert werden kann, dass eine molekulare Selbstorganisationsreaktion ein thermodynamisches Minimum erreicht, was zu einer Produktverteilung führt, die nicht der im Gleichgewicht beobachteten entspricht“, sagt Alberto Credi.

„Ein solches Verhalten, das vielen Funktionen in lebenden Organismen zugrunde liegt, ist bei künstlichen Molekülen kaum erforscht, da es sehr schwer zu planen und zu beobachten ist. Die Einfachheit und Vielseitigkeit unseres Ansatzes sowie die Tatsache, dass sichtbares Licht – d „Sonnenlicht ist eine saubere und nachhaltige Energiequelle und ermöglicht es uns, Entwicklungen in verschiedenen Bereichen der Technologie und Medizin vorherzusehen.“

Die Studie war veröffentlicht im Tagebuch Chem

Die Selbstorganisation molekularer Komponenten zu Systemen und Materialien mit Strukturen im Nanometerbereich ist einer der Grundprozesse der Nanotechnologie. Es macht sich die Tendenz von Molekülen zunutze, sich zu entwickeln, um einen Zustand des thermodynamischen Gleichgewichts, also eines Zustands minimaler Energie, zu erreichen.

Lebewesen funktionieren jedoch durch chemische Umwandlungen, die außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts stattfinden und nur durch die Bereitstellung externer Energie erfolgen können.

Solche Mechanismen mit künstlichen Systemen zu reproduzieren, ist eine komplexe und ehrgeizige Herausforderung, die, wenn sie gemeistert wird, die Schaffung neuer Substanzen ermöglichen könnte, die auf Reize reagieren und mit der Umwelt interagieren können, die beispielsweise zur Entwicklung intelligenter Arzneimittel und Wirkstoffe genutzt werden könnten Materialien.

Die molekulare Passform

Die ineinandergreifenden Komponenten sind Cyclodextrine, hohle wasserlösliche Moleküle mit Kegelstumpfform, und Azobenzol-Derivate, Moleküle, die unter Lichteinwirkung ihre Form ändern. In Wasser führen Wechselwirkungen zwischen diesen Komponenten zur Bildung supramolekularer Komplexe, in denen die fadenförmige Azobenzolspezies in den Cyclodextrinhohlraum eingefügt wird.

In dieser Studie besitzt die fadenförmige Verbindung zwei verschiedene Enden; Da auch die beiden Ränder des Cyclodextrins unterschiedlich sind, erzeugt die Einfügung des ersteren in den letzteren zwei unterschiedliche Komplexe, die sich in der relativen Ausrichtung der beiden Komponenten unterscheiden.

Komplex A ist stabiler als Komplex B, letzterer bildet sich jedoch schneller als ersterer. In Abwesenheit von Licht wird im Gleichgewicht nur der thermodynamisch begünstigte Komplex, nämlich A, beobachtet.

Durch Bestrahlen der Lösung mit sichtbarem Licht verändert sich das Azobenzol von einer ausgedehnten Konfiguration, die Cyclodextrin ähnelt, in eine gebogene, die mit dem Hohlraum nicht kompatibel ist; Infolgedessen dissoziiert der Komplex. Allerdings kann das gleiche Licht das Azobenzol wieder von der gebogenen in die gestreckte Form umwandeln und die dissoziierten Komponenten können sich wieder zusammensetzen.

Da sich Komplex B viel schneller bildet als A, wird bei kontinuierlicher Beleuchtung ein stationärer Zustand erreicht, in dem Komplex B das dominierende Produkt ist. Sobald das Licht ausgeschaltet wird, kehrt das Azobenzol langsam in die gestreckte Form zurück und nach einiger Zeit wird nur noch der A-Komplex beobachtet.

Dieser mit einer photochemischen Reaktion gekoppelte Selbstorganisationsmechanismus ermöglicht die Nutzung der Lichtenergie zur Akkumulation instabiler Produkte und ebnet so den Weg für neue Methoden der chemischen Synthese und die Entwicklung dynamischer molekularer Materialien und funktionierender Geräte (z. B. Nanomotoren). unter Ungleichgewichtsbedingungen, ähnlich wie bei Lebewesen.

Die Studie ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen den Abteilungen für Industriechemie „Toso Montanari“, Chemie „Ciamician“ und Agrar- und Lebensmittelwissenschaften und -technologie der Alma Mater, der Universität Coruña in Spanien und dem Isof-Cnr-Institut in Bologna.