Veränderungen der Chiralität von Molekülen in Echtzeit beobachten

Manche Molek¨¹le k?nnen in zwei spiegelbildlichen Formen existieren, ?hnlich wie unsere H?nde. Obwohl solche sogenannten Enantiomere fast identische physikalische Eigenschaften haben, sind sie dennoch nicht gleich. Die Tatsache, dass sie sich zueinander wie Bild und Spiegelbild verhalten, nennt man Chiralit?t (vom griechischen Cheiro f¨¹r Hand). In der Natur kommt jedoch oft nur ein Enantiomer vor, zum Beispiel bei Aminos?uren, der DNA oder bei Zuckern. Der Grund daf¨¹r ist, dass die Enzyme die diese Molek¨¹le herstellen, selbst chiral sind und nur eine Art von Enantiomer bilden.

Diese Pr?ferenz der Natur hat weitreichende Folgen. So k?nnen Enantiomere von Medikamenten v?llig verschiedene Wirkungen haben, zum Beispiel giftig sein oder auch komplett wirkungslos. Auch die Lebensmittel- und Kosmetikindustrie interessiert sich f¨¹r Chiralit?t, weil Duft- und Geschmacksstoffe je nach Enantiomer unterschiedlich wahrgenommen werden. In der Chemie wird deshalb oft versucht, gezielt nur ein Enantiomer herzustellen, oder wenn das nicht m?glich ist, Mischungen von Enantiomeren sauber zu trennen.

Um Enantiomere voneinander unterscheiden zu k?nnen, verwenden Chemiker polarisiertes Licht, denn die Enantiomere drehen die Schwingungsebene von polarisiertem Licht in entgegengesetzte Richtungen. Das Brechen oder Bilden von chemischen Bindungen l?uft allerdings auf einer sehr kurzen Zeitskala ab, n?mlich innerhalb von wenigen Femtosekunden (Billiardstelsekunden). Mit den bisherigen Messungen war es nicht m?glich, die Chiralit?t in dermassen kurzen Zeitr?umen zu ¨¹berwachen und damit einen chemischen Prozess zu verfolgen.

Reaktionen chiraler Molek¨¹le besser verstehen

Forschende um Hans Jakob W?rner, Professor am Departement Chemie und Angewandte Biowissenschaften, haben nun eine neue Methode entwickelt, um ?nderungen in der Chiralit?t direkt w?hrend einer chemischen Reaktion in Echtzeit zu beobachten. Dazu haben die Forschenden Femtosekunden-Laserpulse mit massgeschneiderter zeitlich variierender Polarisation erzeugt. Diese ultrakurzen Laserpulse sind selbst chiral. Durch diesen neuen Ansatz erreichten die Wissenschaftler erstmals gleichzeitig die f¨¹r solche Messungen n?tige Chiralit?tsempfindlichkeit und Zeitaufl?sung.

In ihrem Experiment, ¨¹ber das die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift PNAS berichten, regten sie das gasf?rmige chirale Molek¨¹l (R)?2?Iodobutan mit zwei ultrakurzen Ultraviolett?Laserimpulsen an. Die Anregung f¨¹hrte dazu, dass die Bindung zwischen Kohlenstoff und Iod brach. In diesem Prozess entsteht ein 2-Butylradikal zun?chst in einer chiralen Konformation, die jedoch ihre Chiralit?t sehr schnell verliert. Mithilfe der neu entwickelten polarisierten Laserimpulse konnten die Forscher dies live mitverfolgen.

Diese neue Methode kann auch f¨¹r Fl¨¹ssigkeiten oder Feststoffe angewendet werden, um die extrem schnellen ?nderungen molekularer Chiralit?t zu beobachten, wie die Wissenschaftler sagen. Die M?glichkeit, die chirale photochemischen Prozesse auf solch kurzen Zeitskalen direkt zug?nglich zu machen, erlaube es nun, die Reaktionen von chiralen Molek¨¹len besser zu verstehen. Dies k?nnte zur Entwicklung neuer oder verbesserter Verfahren f¨¹r die Herstellung enantiomerenreiner Verbindungen beitragen.