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Neues aus der Fakultät

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Ordnung ist das halbe Leben

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  • Neues aus der Fakultät 2025
Grafikillustration © AK-Clever​/​TU Dortmund
Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Guido H. Clever (Lehrstuhl für Bioanorganische Chemie an der Fakultät CCB) hat die Synthese von supramolekularen Nanostrukturen auf Basis von metallverbrückten, organischen Bau­stei­nen auf ein neues Level heben können. In ihrer jüngsten Veröffentlichung, die in der High Impact Zeitschrift Chem erschienen ist, beschreiben die Forschenden erstmals die Bildung von niedrig-symmetrischen Konstrukten in Form von gleichschenkligen Dreiecken über die gezielte, nicht-statistische Kombination von zwei verschiedenen – aber passgenauen – organischen Bau­stei­nen. Zudem wird gezeigt, wie sich diese Strukturen zusammen mit selbst-assemblierten Tetraedern unabhängig voneinander aus einer Vierkomponenten Mischung bilden können, ein Prozess für den der Begriff „Heteromeric Narcissistic Self-Sorting“ geprägt wurde. Die Studie zeigt außerdem, dass diese einfach herzustellenden Nanostrukturen für die chirale Er­ken­nung biologisch basierter Gastmoleküle eingesetzt werden können.

Die molekulare Maschinerie des Lebens besteht aus einer Vielzahl individueller Bausteine wie Proteine und Nukleinsäuren, die sich durch Kombination von schwachen Wechselwirkungen selektiv zu größeren Komplexen zusammenschließen. Die synthetische supramolekulare Chemie lässt sich von dieser strukturellen und funktionalen Komplexität inspirieren, mit dem Ziel, zugrunde liegende Konzepte wie die nicht-statistische „Multikomponenten-Assemblierung“ und die dynamische Umwandlung von Nanostrukturen zu verstehen und nachzuahmen. Dabei Kontrolle über das „Selbst-Sortieren“ einer Reihe verschiedener Bausteine zur Bildung eines dreidimensionalen Nanoobjekts zu erlangen, ist nicht nur ein anspruchsvolles Ziel für die Weiterentwicklung synthetischer Methoden, sondern auch ent­schei­dend für das Kombinieren mehrerer chemischer Funktionalitäten innerhalb eines einzelnen Systems. Das Beherrschen dieser selektiven Multikomponenten-Assemblierung ermöglicht dann die Ausstattung der Nanostrukturen mit komplexen Funktionen, beispielsweise im Rahmen von Anwendungen für die selektive Gast-Er­ken­nung, ressourcenschonende Katalyse oder präzise Platzierung photofunktionaler Bausteine in künstlichen Ver­bin­dun­gen für das Einfangen von Sonnenlicht. Die Forschungen der AG Clever haben nun Wege eröffnet, solch niedrig-symmetrische Multikomponentenstrukturen zunehmender Größe durch metallvermittelte Selbstassemblierung zugänglich zu machen. Dabei wurden gezielt Wechselwirkungen benachbarter Bausteine als strukturleitende Effekte genutzt und moderne computergestützte Methoden eingesetzt, um Vorhersagen über die Bildung verschiedener Strukturmotive zu erlauben.

Inspiriert von biologischen Strukturen bieten selbstassemblierte Nano-Objekte vielversprechendes Anwendungspotenzial, beispielsweise in der nachhaltigen Synthese, in intelligenten Materialien und im Bereich der Wechselwirkung mit biologischen Strukturen für diagnostische und therapeutische Zwecke. Während die gleichzeitige Integration verschiedener Bausteine die Vielseitigkeit solcher Strukturen erheblich steigern kann, stellt das Design solcher niedrig-symmetrischer Multikomponenten-Strukturen – ohne dabei statistische Mischungen zu erzeugen – eine große Herausforderung dar. Elie Benchimol und weitere Forscher der AG Clever konnten nun eine Serie integrativ selbstsortierter Koordinationsverbindungen herstellen, die jeweils zwei unterschiedliche organische Bausteine (Auswahl aus A, B, C und D) enthalten.

In den Palladium-basierten gleichschenkligen Dreiecken (Pd3A2B4) sowie pseudo-tetraedrischen Strukturen (Pd4C4D4) ist je ein Baustein chiral. Bemerkenswert ist, dass die dreieckigen Strukturen sich von zuvor beschriebenen heteroleptischen Pd3A3B3 Strukturen dadurch unterscheiden, dass die zwei unterscheidbaren Liganden nicht in gleichem Verhältnis enthalten sind. Zudem wird gezeigt, wie sich die Ver­bin­dun­gen Pd3A2B4 und Pd4C4D4 unabhängig voneinander aus einer Vierkomponenten Mischung bilden können, ein Prozess für den der Begriff „Heteromeric Narcissistic Self-Sorting“ geprägt wurde (vergleiche dazu auch die komplementäre Vorarbeit). Ferner können die chiralen Wirtverbindungen die optischen Isomere biobasierter Gäste gut unterscheiden. Erstmalig wird in Ko­ope­ra­tion mit einem italienischen Wissenschaftler auch ein computergestütztes Modell zur Strukturvorhersage solcher Assemblierungen eingeführt, welches neue Wege für das rationale Design solcher supramolekularer 3D Architekturen eröffnet.

Eli Benchimol/Guido Clever © AK-Clever​/​TU Dortmund
Dr. Elie Benchimol, Prof. Guido Clever

Die Arbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Graduiertenkollegs GRK2376 („Confinement-controlled Chemistry“) und der Exzellenzstrategie im Cluster RESOLV, EXC2033 gefördert.

E. Benchimol, J. Tessarolo, A. Tarzia, H. Lee, A. Jouaiti, M. W. Hosseini, G. M. Pavan, G. H. Clever,
Adjacent backbone interactions control self-sorting of chiral heteroleptic Pd3A2B4 isosceles triangles and Pd4A4C4 pseudo-tetrahedra
Chem 2025, 102780.

Arbeitsgruppe Prof. Clever