Ein mechanisch ineinandergreifendes Molekül, das durch Licht gesteuert werden kann

Katalysatoren fördern viele Arten chemischer Reaktionen, von unserem Körper über die industrielle Herstellung von Verbindungen bis hin zur kontrollierten Kraftstoffverbrennung in einem Auto. Von fest bis gasförmig, unabhängig von ihrer Formel, ihre Rolle besteht darin, die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen zu erhöhen, um viele Prozesse zu vereinfachen.

Aber was wäre, wenn ein Molekül auf kontrollierte Weise sowohl als Inhibitor als auch als Katalysator wirken könnte? Viele Prozesse wären viel einfacher zu kontrollieren. Um dieses Problem anzugehen, schlugen Forscher des Instituts für Physikalische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften unter der Leitung von Prof. Sashuk ein faszinierendes mechanisch ineinandergreifendes Molekül vor, das durch Licht gesteuert werden kann.

Die supramolekulare Chemie liefert viele komplexe Moleküle, die durch nichtkovalente, intermolekulare Bindungen und Bottom-up-Nanofabrikation zusammengesetzt sind. Dieser Zweig der Chemie befasst sich mit den von der Natur inspirierten Prozessen, die einzigartige komplexe Strukturen mit völlig anderen Eigenschaften als die einzelnen Komponenten hervorbringen. Aber wie funktioniert es? Alles beginnt mit der Art der Moleküle. Einige Reaktionen können abhängig von den chemischen Eigenschaften zusammengesetzter Moleküle gehemmt oder katalysiert werden.

Prof. Sashuk und sein Team haben eine mechanisch ineinandergreifende molekulare Architektur vorgestellt, die mit Licht gesteuert werden kann und als photoschaltbarer Satz von Molekülen fungiert, die selektiv die Geschwindigkeit bestimmter chemischer Reaktionen regulieren. Insbesondere haben sie sich auf das Design, die Synthese und die Anwendung eines Moleküls konzentriert, das die Position eines anderen Moleküls auf seiner Achse steuern kann. Auf diese Weise könnte das positionierte Molekül näher oder weiter von dem auf derselben Achse installierten Reaktionszentrum entfernt sein.

Um dies zu schaffen, haben sie ein Semirotaxan vorgeschlagen, einen Molekülkomplex, bei dem ein stäbchenförmiges Molekül durch ein ringförmiges Molekül namens Makrocyclus gefädelt und teilweise darin eingeschlossen ist. Das stäbchenförmige Molekül enthält zwei Stationen, von denen eine, Benzaldehyd, als Ort fungiert, an dem die Reaktionen stattfinden, und die zweite, ein Heptyl mit Photoschalter, der Reaktionsregulator ist. Beide Stationen sind durch eine Dimethylammoniumgruppe getrennt, die den Makrocyclus, nämlich Kürbis, hält[7]uril, auf der Achse durch die Coulomb-Stabilisierung.

Prof. Sashuk bemerkt: „Wir haben eine neue Art der Regulation der supramolekularen Katalyse entwickelt. Ein photoschaltbarer Inhibitor, der mit einem Substrat zu einem Molekül verknüpft ist, verhindert die Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit bei Erhöhung der Katalysatormenge System beginnt, die typische Katalyseverstärkung bis zur Sättigung der Reaktionsstelle zu zeigen. Wichtig ist, dass das hergestellte Semirotaxan nicht nur die Selbstreaktion, sondern auch das Ergebnis externer Reaktionen regulieren kann.“

Unter der Anwendung von Licht im blauen Bereich beobachteten die Forscher die Beschleunigung der C-N-Kopplungsreaktion namens Hydrazonierung. Bisher ändert der als Katalysator wirkende Makrocyclus, der aufgrund der Abschwächung der elektrostatischen Wechselwirkungen normalerweise bevorzugt an der Heptylstation verbleibt, seine Position und nähert sich der zweiten Benzaldehydstation, wodurch die Reaktion mit eintretendem Hydrazid gefördert wird. Die Forscher stellten fest, dass die Geschwindigkeit der Hydrazonierungsreaktion etwa 5,4-mal höher war als die im Dunkeln beobachtete Geschwindigkeit.

„Wichtig ist, dass die Beschleunigung der Reaktion jederzeit erfolgen kann. Darüber hinaus kann das katalytische System nach Abschluss der Reaktion leicht wiederhergestellt werden, indem der pH-Wert der Lösung gesenkt wird“, behauptet Dr. Nazar Rad.

Wenn zwei Arten von Hydraziden in der Reaktionsmischung vorhanden sind, kann das stäbchenförmige Molekül interessanterweise selektiv mit einer von ihnen reagieren und das Endproduktverhältnis verändern. Die Forscher erklären dieses Phänomen mit der unterschiedlichen Affinität des Makrocyclus zu den gebildeten Produkten.

Diese Arbeit ist ein Schritt nach vorn bei der Entwicklung neuer Regulierungsarten in katalytischen Systemen mit Fernsteuerung. Derzeit arbeitet das Team daran, das vorgestellte System für verschiedene Zwecke anzupassen, einschließlich komplexer chemischer Prozesse, bei denen die Reaktion Selektivität erfordert.