Ein Team um Prof. Guido Clever von der Fa­kul­tät für Chemie und Che­mi­sche Bio­lo­gie der TU Dort­mund hat seine aktuellen For­schungs­er­geb­nis­se in der re­nom­mier­ten Fach­zeitschrift Journal of the American Chemical Society ver­öf­fent­licht. Die Gruppe konnte erstmals bestimmte Molekülstrukturen, die sich selbst zusammensetzen und einen Hohlraum auf­wei­sen, jenseits des ther­mo­dy­na­mi­schen Gleich­ge­wichts mit Licht aufrechterhalten.

Die Chemiker*innen um Prof. Clever er­for­schen das Prinzip der metallvermittelten Selbst-Assemblierung, mit dem man auf einfache Weise kom­ple­xe drei­di­men­sio­na­le Nanostrukturen aus maß­ge­schnei­derten or­ga­ni­schen Molekülen und geeigneten Metallionen bilden kann. Dabei ent­ste­hen Ver­bin­dungen, die zugängliche Hohlräume auf­wei­sen. Diese „supramolekularen Käfige“ kön­nen als Wirte kleinere Gast­mo­le­kü­le in ihrem Innern auf­neh­men. Mit dieser Eigenschaft bilden sie interessante Ansatzpunkte für die Ent­wick­lung neuer selektiver Rezeptoren, enzymartiger Katalysatoren und smarter Ma­te­ri­alien.

Im Speziellen be­schäf­tigt sich die Gruppe mit dem Einbau lichtschaltbarer Funk­ti­ons­bau­stei­ne, mit denen die che­mi­schen Ei­gen­schaf­ten des Sys­tems durch Im­pul­se von außen reversibel ver­än­dert wer­den kön­nen. So kön­nen zum Bei­spiel die Gastbindung oder strukturelle Um­wand­lungs­pro­zesse gezielt gesteuert wer­den. In der kürz­lich veröffentlichten Studie zei­gen die Dort­mun­der Chemiker*innen nun erstmals, dass sich durch kon­ti­nu­ier­li­chen Energieeintrag in Form von Licht solche Wirt-Gast-Komplexe jenseits des ther­mo­dy­na­mi­schen Gleich­ge­wichts halten las­sen, wäh­rend sie beim Abschalten der Licht­quel­le wieder in ih­re Bestandteile zerfallen.

Che­mi­sche Sys­te­me, die in ei­nem Zustand jenseits des ther­mo­dy­na­mi­schen Gleich­ge­wichts operieren, bilden die Grund­la­ge aller Stoffwechselvorgänge des Lebens – und stehen deshalb im In­te­res­se­ der For­schung. Allerdings verweilen sie dort nur, solange Energie zugeführt und in Form von Wärme und Ab­fall­pro­duk­ten abgeführt („dissipiert“) wird. Eine be­son­ders attraktive Me­tho­de, Energie in solch ein System ein­zu­bring­en, ist das Bestrahlen mit Licht, da es ohne materielle Abfälle auskommt. Dazu müs­sen Farbstoffe die Energie des Lichts auf­neh­men und umwandeln kön­nen, wie es etwa grüne Pflanzen beherrschen, um Me­ta­bo­lis­mus und Wachstum anzutreiben.

Bil­dung eines künstlichen Wirt-Gast-Komplexes

Chemiker*innen ent­wi­ckeln Modellsysteme, um solche Pro­zes­se nachzuahmen, zu ver­ste­hen und zu nutzbaren An­wen­dungen wei­ter­zu­ent­wi­ckeln.

Die JACS-Pu­bli­ka­ti­on be­schreibt die dis­si­pa­ti­ve Bil­dung eines künstlichen Wirt-Gast-Komplexes jenseits des ther­mo­dy­na­mi­schen Gleich­ge­wichts. Dazu hat die Erstautorin Dr. Haeri Lee so­ge­nannte Diazocin-Photoschalter in Ko­or­di­na­ti­ons­kä­fi­ge eingebaut, die durch Bestrahlen mit UV-Licht eine Struk­tur­än­de­rung ein­ge­hen und nur in dieser Form kleinere Mo­le­kü­le als Gäste in ihrem Innern bin­den kön­nen.

„Wichtig ist, dass diese Wirt-Gast-Komplexe nur solange überleben, wie Energie in Form von Licht zugeführt wird. Versiegt diese Energiequelle, strebt das System einen energetisch niedrigeren Zustand an, wobei die Photoschalter sich bei Raumtemperatur unter thermischen Be­din­gun­gen in ihren Aus­gangs­zu­stand zurückwandeln und die Gast­mo­le­kü­le freigesetzt wer­den“, er­klärt Prof. Guido Clever. „Der Vorgang ist vollständig reversibel und dient als Grund­la­ge für die Ent­wick­lung neuartiger che­mi­scher Sys­te­me und Ma­te­ri­alien, die nur unter dem fortwährenden Ein­fluss von Licht be­son­de­re Funktionen, Strukturen oder Ei­gen­schaf­ten auf­wei­sen.“

Potenzielle An­wen­dungs­ge­bie­te sind licht­ge­trie­be­ne Trans­port- und Trennprozesse, photoschaltbare Katalyse und der Sonne ausgesetzte, smarte Beschichtungen.

Die Forschungs­arbeit ist in Ko­ope­ra­ti­on mit der Arbeits­gruppe von Prof. Rainer Herges, Christian-Albrechts-Uni­ver­si­tät Kiel, ent­stan­den und wurde vom Euro­päi­schen For­schungs­rat (ERC Consolidator Pro­jekt „RAMSES“) der National Research Foun­da­tion of South-Korea und der Deut­schen For­schungs­ge­mein­schaft (DFG) ge­för­dert.