Forschung & Entwicklung

Laserlicht entscheidet über Chiralität von Molekülen

Mithilfe von Laserlicht gelang es, gezielt rechts- oder linkshändige Moleküle herzustellen. Für die Pharmazie eine potenzielle Alternative zur bisherigen nasschemischen Trennung.

Sieben der zehn häufigsten Medikamente enthalten chirale Wirkstoffe. Das sind Moleküle, die in rechts- oder linkshändiger Form auftreten. Bei der chemischen Synthese entstehen beide Strukturen meist zu gleichen Teilen. Weil die Händigkeit über die Wirkung im Körper entscheidet, müssen beide Formen anschließend getrennt werden. Physikern der Goethe-Universität Frankfurt ist es mithilfe von Laserlicht gelungen, gezielt rechts- oder linkshändige Moleküle herzustellen.

„Für die Pharmazie wäre es ein Traum, wenn man statt mit nasser Chemie ein Molekül mit Licht von einer in die andere Händigkeit überführen könnte“, erklärt Professor Reinhard Dörner vom Institut für Kernphysik. Die Forscher sind diesem Ziel nun einen Schritt nähergekommen. Sie beobachteten, dass in Abhängigkeit von der Einstrahlrichtung des Laserlichts auf das Ausgangsmolekül die rechts- oder linkshändige Variante entsteht.

Für das Experiment wurde ein planares Molekül verwendet: die Ameisensäure. Dieses wurde mit einem intensiven, zirkular polarisierten Laserpuls angeregt, um es in eine chirale Form zu überführen. Gleichzeitig zerbrach das Molekül durch die Bestrahlung in seine atomaren Bestandteile. Die Zerstörung des Moleküls war für das Experiment notwendig, um überprüfen zu können, ob die Bild- oder Spiegelbildvariante entstanden war.

Das am Institut entwickelte ‚Reaktionsmikroskop‘ (COLTRIMS-Methode) wurde für die Analyse eingesetzt. Damit kann man einzelne Moleküle in einem Molekülstrahl untersuchen. Nach der Spaltung des Moleküls misst der Detektor mit hoher Genauigkeit, aus welcher Richtung und mit welcher Geschwindigkeit die Fragmente ankommen. So lässt sich die räumliche Struktur des Moleküls rekonstruieren.

Um künftig chirale Moleküle mit der gewünschten Händigkeit selektiv herstellen zu können, wird man gewährleisten müssen, dass die Moleküle im Verhältnis zum zirkular polarisierten Laserstrahl gleich orientiert sind. Das könnte man erreichen, indem man sie vorher mit einem langwelligen Laserlicht räumlich ausrichtet.

Die Erkenntnis könnte auch für die Herstellung größerer Mengen von Molekülen mit einheitlicher Händigkeit eine Schlüsselrolle spielen. Hier jedoch würde man laut den Wissenschaftlern eine Bestrahlung von Flüssigkeiten anstatt Gase bevorzugen.

Nachweis und Manipulation chiraler Moleküle mittels Licht ist das Thema eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft seit 2018 geförderten Sonderforschungsbereiches ‚ELCH‘, zu dem sich Wissenschaftler aus Kassel, Marburg, Hamburg und Frankfurt zusammengeschlossen haben.

von mg

Originalveröffentlichung:

[K. Fehre, S. Eckart, M. Kunitski, M. Pitzer, S. Zeller, C. Janke, D. Trabert, J. Rist, M. Weller, A. Hartung, L. Ph. H. Schmidt, T. Jahnke, R. Berger, R. Dörner und M. S. Schöffler, Enantioselective fragmentation of an achiral molecule in a strong laser field, Sci. Adv. 5 (2019), DOI: 10.1126/sciadv.aau7923]

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