Kasseler Physiker entwickeln neue Methode zur Erkennung chiraler Moleküle

Die neue Technik besitzt ein erhebliches Anwendungspotenzial in der Chemie- und Pharmaforschung.

Forscher des Fachgebiets Experimentalphysik III – Femtosekundenspektroskopie und ultraschnelle Laserkontrolle – unter der Leitung von Prof. Dr. Thomas Baumert und Prof. Dr. Matthias Wollenhaupt konnten in einem nur tischgroßen Laserexperiment Effekte im Bereich von zehn Prozent für Moleküle mit unterschiedlicher Chiralität demonstrieren. Die durchgeführten Experimente waren derart empfindlich, dass bereits an hochverdünnten Molekülen eindeutige Messsignale beobachtet werden konnten.

Da diese Signale mit Hilfe von Laserpulsen der Dauer einiger Billardstelsekunden aufgenommen wurden, ist diese Messung im Prinzip auch ultraschnell. Ähnliche Empfindlichkeiten konnten bislang nur mittels Synchrotronstrahlung an Großforschungsanlagen erzielt werden.

Die linke Hand von der rechten zu unterscheiden ist ein Kinderspiel. Linkshändige Moleküle von rechtshändigen zu unterscheiden ist dagegen eine wissenschaftliche Herausforderung, die umso größer wird, je weniger Moleküle zur Verfügung stehen. Dabei ist Chiralität („Händigkeit“) von zentraler Bedeutung in der Natur. Denn wie Moleküle reagieren, wie sie riechen, schmecken oder wirken, hängt nicht nur von ihrer chemischen Zusammensetzung, sondern häufig auch von ihrer räumlichen Anordnung ab.

Während natürlich vorkommende Moleküle meist nur in einer – links- oder rechtshändigen – Variante bekannt sind, treten bei synthetisch erzeugten Molekülen des gleichen Stoffs oft zwei spiegelbildlich ausgerichtete Varianten auf. Diese beiden Molekülvarianten („Enantiomere“) haben oft sehr unterschiedliche Eigenschaften, was vor allem bei Medikamenten schwer wiegende Konsequenzen haben kann. Während das eine Enantiomer heilend wirkt, kann das andere unwirksam oder für den Menschen sogar schädlich sein. Bei Medikamenten, die auf chiralen Molekülen basieren, hat die chemische Analytik daher eine enorm hohe Bedeutung für die Sicherheit und zuverlässige Wirkungsweise.

Mit Hilfe von energiereichen Lichtstrahlen, die nur in Großforschungsanlagen zur Verfügung stehen, gelingt eine derartige Unterscheidung an geringsten Mengen unregelmäßig ausgerichteter Moleküle in der Gasphase erst seit wenigen Jahren. Als Unterscheidungsmerkmal werden die durch die Lichtstrahlen ausgelösten Elektronen herangezogen. Für eine bestimmte Zirkularität des Lichts und eine bestimmte Chiralität des Moleküls verlassen die Elektronen das Molekül beispielsweise in Richtung des Lichtstrahls. Trifft der Lichtstrahl auf Moleküle mit abweichender Chiralität, so dreht sich die Richtung der Elektronen um. Sie fliegen nun überwiegend entgegen der Richtung des Lichtstrahls.

Ein mechanisches Modell kann diesen Sachverhalt veranschaulichen: Versetzt man die Mutter auf einer Schraube rechtsherum in Drehung, so wird sich die Mutter immer in die gleiche Richtung bewegen, egal ob die Schraubenspitze auf den Beobachter zu- oder von ihm weg zeigt. In diesem Beispiel entspricht die Mutter dem Elektron, die Schraube dem Molekül mit einer bestimmten Chiralität und die Rechtsdrehung der Zirkularität des Lichts. Die Richtung der Schraube stellt zwei Extremfälle der unregelmäßig ausgerichteten Moleküle dar. Dieser Vergleich stammt von dem englischen Forscher Ivan Powis, der solche Untersuchungen an Großforschungsanlagen durchgeführt hat.

Für eine Routineanalytik stehen Großforschungsanlagen allerdings nicht zur Verfügung. Hier setzen nun die Arbeiten von Christian Lux, Matthias Wollenhaupt, Tom Bolze, Qingqing Liang, Jens Köhler, Christian Sarpe und Thomas Baumert ein. Das Team setzte ihre energiearmen – aber dafür intensiven – Laserpulse aus dem Labor ein. Im Unterschied zu den Experimenten an einer Großforschungsanlage werden jetzt mehrere Photonen zum Auslösen der Elektronen verwendet. Die Richtungsverteilung der ausgelösten Elektronen wird dadurch weiter verfeinert. Aufgrund der Handlichkeit des Laboraufbaus und wegen der beachtlichen Größe der beobachteten Effekte eröffnet dieser Ansatz einen wichtigen Zugang zu einer neuartigen Analytik. Weil die Laserpulse im Labor zudem auch noch auf Zeitskalen der Bewegung der Elektronen und Kerne der Moleküle maßgeschneidert werden können, erhoffen sich die Forscher auch neue grundlegende Erkenntnisse über die Wechselwirkung chiraler Moleküle in Lichtfeldern.

Die Arbeiten der Kassler Forscher werden in der 20. Ausgabe 2012 der international renommierten Zeitschrift Angewandte Chemie im Druck erscheinen und wurden am 20. Februar 2012 online gestellt (DOI: 10.1002/anie.201109035). Die Gutachter der Zeitschrift zeichneten den Beitrag mit dem „VIP“ Status (VIP = very important paper) aus.

Info
Prof. Dr. Thomas Baumert
Universität Kassel
Institut für Physik
Tel.: 0561/804-4452
E-Mail: baumert@physik.uni-kassel.de