Enantiomerenreine Strahlen chiraler Moleküle

Chiralität spielt eine wichtige Rolle in zahlreichen chemischen Reaktionen und biologischen Prozessen. Viele biologisch und pharmazeutisch wichtige Moleküle sind chiral und liegen als eines von zwei möglichen Spiegelbildern, den Enantiomeren, vor. Diese links- oder rechtshändigen Enantiomere haben häufig erstaunlich unterschiedliche Wirksamkeiten in biologischen Umgebungen. Die meisten Biomoleküle im menschlichen Körper treten beinahe ausschließlich mit einer bestimmten Händigkeit auf. Dieses Phänomen ist bekannt als die sogenannte Homochiralität des Lebens. Obwohl Chiralität in der Natur so reichlich vorhanden ist, ist es nach wie vor eine aktuelle Herausforderung, ebendiese zu detektieren und zu quantifizieren. Wir schlagen nun ein Experiment vor, in dem wir Komponenten aus den Wissenschaftsgebieten der chiralen Analyse, Mikrowellenspektroskopie und Molekülstrahlmanipulation kombinieren und damit einen kalten, zustandsselektierten, intensiven Strahl von Molekülen erzeugen. Unsere Methode kann auf eine Vielzahl von Molekülen angewandt werden, von denen kalte Strahlen erzeugt werden können. Wir werden diese anwendungsreiche Methode mit einem chiralitätsselektierten Molekülstrahl demonstrieren. Kürzlich wurde an der Harvard Universität eine neue Methode zur empfindlichen chiralen Analyse mittels Mikrowellenspektroskopie von Molekülen in der Gasphase demonstriert. Über ein phasenaufgelöstes Mikrowellensignal können dabei chirale Enantiomere klar unterschieden werden. Der Enantiomerenüberschuss kann in der Größenordnung von 1 Prozent bestimmt werden. In unserem Experiment werden wir durch die Implementierung eines sogenannten Moiré Deflektometers enantiomerspezifische Zustände präparieren und damit zustands- und sortenselektierte Molekülstrahlen produzieren. Ein Moiré Deflektometer für Atom- oder Molekülstrahlen kombiniert hohen Signaldurchsatz mit periodischer Kollimation, welche eine hohe Sensibilität auf äußere Kräfte zur Folge hat. Es besteht aus drei äquidistanten Gittern und erzeugt ein molekulares Muster das ein Schattenbild der ausgeleuchteten Gitterstrukturen darstellt. Wir werden die Zustandsselektivität der Mikrowellenspektroskopie mit der Empfindlichkeit eines Moiré Deflektometers auf kleine Beschleunigungen kombinieren. Wir werden außerdem ein zusätzliches elektrisches Ablenkungsfeld implementieren, das hauptsächlich Auswirkungen auf ein ausgewähltes Enantiomer hat. Dafür kann die Frequenz des Feldes genau auf das gewählte Molekül in einem bestimmten Zustand abgestimmt werden. Dadurch wird in unserem Aufbau nur das gewählte Enantiomer transmittiert. Die resultierenden enantiomerenreinen, sortenreinen Molekülstrahlen sind von großer Relevanz für eine Vielzahl von Anwendungen in einem breiten Bereich der Wissenschaften, von kalter Chemie und physikalischer Chemie bis hin zu den Grundlagen der Quantenphysik.

Im Rahmen des Schrödinger Projektes Enantiomerenreine Strahlen Chiraler Moleküle wurden Experimente zur Untersuchung und Kontrolle sogenannter chiraler Moleküle durchgeführt. Chiralität in Molekülen wird auch Händigkeit genannt, beruhend auf dem Umstand, dass sie so wie Hände in zwei Spiegelbildern (Enantiomere) existieren können, die durch Rotation oder Translation nicht ineinander transformiert werden können. Sie sind sehr wichtig in vielen biologischen und chemischen Prozessen, auch im menschlichen Körper. In vielerlei Hinsicht verhalten sich diese Enantiomere auf beinahe identische Art, was es intrinsisch schwer macht sie zu unterscheiden oder gar voneinander zu trennen. Das wohl bedeutsamste Resultat des Projektes ist die erfolgreiche Entwicklung und Demonstration einer neuen Methode um den internen Rotationszustand chiraler Moleküle enantiomer-spezifisch zu manipulieren. Dieses neue Schema eröffnet neue Möglichkeiten für zukünftige Experimente um grundlegende physikalische Effekte der Physik und physikalischen Chemie zu untersuchen. Unsere Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht. Ein anderes interessantes Ergebnis unserer Experimente ist die Verwendung von Mikrowellenspektroskopie in einer kryogenen Puffergaszelle zur Untersuchung der Reaktion von Ozon-Molekülen mit Isopren-Molekülen. Isopren ist der am häufigsten von Pflanzen ausgesendete Kohlenwasserstoff nach Methan. Seine Reaktion mit Ozon beinhaltet reaktive Zwischenprodukte von denen noch nicht alle bereits direkt vermessen wurden. Unsere Arbeit hat das Potential zur Ermöglichung beizutragen, neue reaktive Zwischenprodukte zu isolieren, zu identifizieren und zu quantifizieren. Diese Arbeit wurde in der Zeitschrift Physical Chemistry Chemical Physics veröffentlicht. Andere Forschung in Verbindung mit dem Projekt beinhaltet zeitaufgelöste Untersuchungen von molekularer Konformations-Relaxation und Struktur-Untersuchungen der davor noch nicht eindeutig bestimmten Struktur des Moleküls Butadien. Beide Resultate wurden als separate Artikel in der Zeitschrift Angewandte Chemie International Edition veröffentlicht. Zusammenfassend konnten wir neue Techniken demonstrieren, die für eine Vielzahl zukünftiger Untersuchungen und Experimente die Grundlage bilden.