Molekülstrukturen detaillierter analysieren

CAU-Forschungsteam entwickelt neue NMR-Methoden zur Untersuchung von paramagnetischen molekularen Käfigen

Um die Struktur von Molekülen wie zum Beispiel Proteinen zu untersuchen, nutzen die Chemie und die Strukturbiologie Methoden der sogenannten NMR-Spektroskopie (NMR= nuclear magnetic resonance, Kernspinresonanz). Die Atomkerne von Molekülen wie Wasserstoff werden hierbei mit Hochfrequenz-Impulsen in Spektrometern mit starken Magnetfeldern angeregt. Über die erzeugten Spektren lassen sich Unterschiede in den Umgebungen der Kerne feststellen und so Rückschlüsse auf die Molekülstruktur ziehen.

Sogenannte diamagnetische Moleküle lassen sich mit diesen Methoden bereits sehr gut analysieren. Da alle ihre Elektronen paarweise vorkommen, erzeugen sie normalerweise klare Signale und eindeutige Spektren. Schwieriger zu untersuchen sind hingegen paramagnetische Verbindungen, die ungepaarte Elektronen besitzen – dazu gehören zum Beispiel auch einige MRT-Kontrastmittel. Sie werden von externen Magnetfeldern stark angezogen und stören so NMR-Messungen.

Chemikerinnen und Chemikern der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) ist es nun gelungen, mehrere NMR-Methoden zu entwickeln, die zusammen angewendet erstmals eine detaillierte Strukturanalyse für paramagnetische Moleküle in Lösungen ermöglichen. In der renommierten Fachzeitschrift Angewandte Chemie zeigten sie kürzlich die umfassenden Anwendungsmöglichkeiten ihrer Methoden in verschiedenen Bereichen der Chemie und darüber hinaus.

Auch komplexe „molekulare Käfige“ lassen sich detaillierter als zuvor analysieren

„Um die Struktur von paramagnetischen Molekülen zu untersuchen, gab es bisher kaum geeignete NMR-Methoden. In der Regel gehen hierbei Informationen verloren, weil Signale dabei verbreitert werden und ihre Lage somit oft keine Rückschlüsse mehr auf die Struktur zulässt“, erklärt Juniorprofessorin Anna McConnell. Am Otto-Diels-Institut für Organische Chemie der CAU forscht sie an paramagnetischen Molekülen, die sich selbstständig zu größeren Komplexen zusammensetzen. Sie bilden einen Hohlraum, in den sie andere Moleküle aufnehmen können, und werden daher als „molekulare Käfige“ bezeichnet.

Langfristig könnten diese anderen Moleküle medizinische Wirkstoffe sein, die an bestimmte Stellen im Körper transportiert und dort wieder „freigelassen“ werden. „Dafür benötigen wir aber zuerst noch mehr Informationen über die Strukturen und Eigenschaften dieser paramagnetischen Komplexe“, so McConnell weiter.

Gemeinsam mit einem Forschungsteam aus den Instituten für Organische und Anorganische Chemie der CAU hat McConnell jetzt verschiedene Methoden entwickelt, um NMR-Daten von paramagnetischen Verbindungen verlässlich zu gewinnen und auszuwerten. In Kombination miteinander angewendet, ergibt sich so ein umfassendes Bild der Molekülstrukturen. Zum Teil sind die Ergebnisse sogar besser als die vergleichbarer Verfahren für diamagnetische Moleküle, stellte das Team fest. „Die Datenerhebung für die paramagnetischen Verbindungen verlief deutlich schneller. Teilweise erhielten wir das gewünschte Ergebnis bereits durch ein einziges Experiment, während wir bei diamagnetischen Molekülen mehrere brauchten“, so McConnell.

Mit der genauen Anleitung lässt sich jedes Spektrometer anpassen

In aufwendigen Untersuchungen an den 500 MHz- und 600 MHz-Spektrometern des Otto-Diels-Instituts für Organische Chemie ermittelte das Team, wie sich Standard-NMR-Experimente für paramagnetische Molekülkomplexe anpassen lassen. Sie erstellten eine genaue Anleitung, um ihre Methoden auf andere paramagnetische Komplexe und Spektrometer zu übertragen. „Die Entwicklung dieser paramagnetischen NMR-Methoden ist ein wirklicher Durchbruch für die tägliche Forschungsarbeit und wir hoffen, dass sie anderen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern genauso helfen wie uns“, sagt Marc Lehr, Doktorand und Erstautor der Studie.

Das Forschungsteam hofft, so einen Beitrag zur Methodenentwicklung in verschiedenen Bereichen der Chemie und darüber hinaus leisten zu können. Denn wie sie in ihrer Studie zeigten, lassen sich auch komplexe Molekülverbindungen, übergeordnete Molekülstrukturen oder die Veränderung von magnetischen Spin-Zuständen mit ihren Methoden untersuchen. In einem nächsten Schritt wollen sie mit ihren Methoden noch größere paramagnetische Molekülkomplexe analysieren. „Zum Beispiel Molekülkäfige, deren Strukturen sich durch die Bestrahlung mit Licht verändern lassen. Mit solchen Käfigen könnten wir gebundene Moleküle in Zukunft wirklich gezielt freisetzen“, hofft McConnell.

Die Studie wurde unterstützt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen der Förderung der Projekte „Photoresponsive metallorganische Käfigverbindungen“ (Nr. 413396832), „Dual-Responsive Spin-Crossover Cages” (Nr 429518153) und des Sonderforschungsbereichs 677 „Funktion durch Schalten“ (2007-2019).

Fotos stehen zum Download bereit:
https://www.uni-kiel.de/de/pressemitteilungen/2020/216-NMR-1.jpg
Bildunterschrift: Juniorprofessorin Anna McConnell hat zusammen mit den Doktoranden Marc Lehr (links) und Tobias Paschelke (rechts) mehrere NMR-Methoden entwickelt, um erstmals die Struktur paramagnetischer Moleküle umfassend analysieren zu können.
© Julia Siekmann, CAU

https://www.uni-kiel.de/de/pressemitteilungen/2020/216-NMR-2.jpg
Bildunterschrift: Als „molekulare Käfige“ werden Strukturen im Nanomaßstab bezeichnet, die in ihrem Inneren andere Moleküle wie medizinische Wirkstoffe aufnehmen und transportieren können. Um sie wieder gezielt „freizulassen“ braucht es detaillierte Informationen über ihre Strukturen und Eigenschaften. Doch diese paramagnetischen Verbindungen waren bisher schwierig zu analysieren.
© Anna McConnell

https://www.uni-kiel.de/de/pressemitteilungen/2020/216-NMR-3.jpg
Bildunterschrift: Mit den Methoden des Kieler Teams können herkömmliche Spektrometer wie das am Otto-Diels-Instituts für Organische Chemie so angepasst werden, dass sie auch paramagnetische Verbindungen untersuchen können.
© Julia Siekmann, CAU

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Juniorprofessorin Dr. Anna McConnell
Otto Diels-Institut für Organische Chemie
E-Mail: amcconnell@oc.uni-kiel.de
Web. http://www.otto-diels-institut.de/mcconnell/index.html

Originalpublikation:

A Paramagnetic NMR Spectroscopy Toolbox for the Characterisation of Paramagnetic/Spin‐Crossover Coordination Complexes and Metal‐Organic Cages. Marc Lehr, Tobias Paschelke, Eicke Trumpf, Anna-Marlene Vogt, Christian Näther, Frank Sönnichsen, Anna McConnell, Angew. Chem. Int. Ed. 10.1002/anie.202008439 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202008439

Weitere Informationen:

https://www.uni-kiel.de/de/detailansicht/news/216-nmr-methoden Link zur Meldung
https://www.kinsis.uni-kiel.de Website KiNSIS: Strukturen und Prozesse in nanoskopischen Dimensionen zu verstehen und die Erkenntnisse anwendungsnah umzusetzen, ist das Ziel des Forschungsschwerpunkts KiNSIS (Kiel Nano, Surface and Interface Science) der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU)

https://www.uni-kiel.de/de/detailansicht/news/216-nmr-methoden

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