Dissipative supramolekulare Systeme

• Antragstellerin: Dr. Larissa von Krbek-Prömel
• Fachliche Zuordnung: Organische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 446317932

Die meisten supramolekularen Selbstorganisationsprozesse sind thermodynamisch getrieben, d.h., dass sich die einzelnen Komponenten unter Freisetzung von Energie zu einem energetisch günstigeren Aggregat anordnen. In der Natur laufen solche Prozesse hingegen meist abseits des thermodynamischen Gleichgewichtes durch die Dissipation von Energie ab, d.h., ihre Selbstorganisation wird durch den Verbrauch eines "Brennstoffes" angetrieben. Dies ist ein Grund, warum sich biologische Systeme durch eine große strukturelle Komplexität, die Möglichkeit zur räumlichen und zeitlichen Kontrolle ihrer Funktionen, die Fähigkeiten zur Anpassung an neue Umgebungsbedingungen, zur Selbstheilung und zur Verrichtung von Arbeit sowie durch emergentes Verhalten auszeichnen. Ähnliche Nicht-Gleichgewichts-Prozesse in synthetische Systeme zu implementieren, wird zu größerer Komplexität und vielseitigeren Funktionen von menschengemachten Materialien führen und wird die Gebiete der Chemie, Materialwissenschaften und Synthetischen Biologie stark beeinflussen. Weiterhin könnte die Untersuchung dieser synthetischen dissipativen Systeme zu einem besseren Verständnis der kinetischen und thermodynamischen Restriktionen in lebenden Systemen führen. Im Gebiet der supramolekularen Chemie wurden bereits erste Beispiele von dissipativen Systemen in Gelen, Polymeren, und Kolloiden realisiert. Es gibt jedoch keine Beispiele für kleinere supramolekulare Strukturen wie Koordinationskäfige.Das Ziel dieses Projektes ist daher die Entwicklung neuer, metallo-supramolekularer Systeme, welche sich durch die Dissipation von Energie anordnen, um dadurch auf lange Sicht ein größeres Verständnis von Systemen außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts und emergenten Verhaltens zu erlangen. Hierbei ist das erste Ziel die Synthese und Untersuchung mononuklearer Metallkomplexe, die sich durch Energiedissipation fernab des thermodynamischen Gleichgewichtes anordnen – entweder durch den Verbrauch eines chemischen Brennstoffs oder Lichtabsorption. Das zweite Ziel dieses Projektes ist die dissipative Selbstorganisation von metallo-supramolekularen Käfigen. Die dreidimensionale Anordnung der Metallzentren in metallo-supramolekularen Käfigen macht diese Systeme deutlich komplexer, weshalb sie gute Modellsysteme für das bessere Verständnis von dissipativer Selbstorganisation in der Supramolekularen Chemie und möglicherweise in der Natur sind. Weiterhin werden wir die dissipative Selbstorganisation der etablierten Systeme in begrenzten "Nano-Räumen" (wie Vesikeln) untersuchen. Diese räumliche Einschränkung kann zu vollkommen neuem Verhalten und möglicherweise Emergenz führen. Auf lange Sicht werden wir das dynamische Verhalten der etablierten dissipativen Käfig-Systeme nutzen, um häufige Schwierigkeiten in der Supramolekularen Chemie anzugehen: die räumliche und zeitliche Kontrolle über die Freigabe von Gastmolekülen aus dem Käfiginneren sowie die Produktinhibition in der Supramolekularen Katalyse.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professorin Dr. Cornelia Palivan; Professor Dr. Konrad Tiefenbacher