Ein iterativer Ansatz unter Verwendung von Simulationen und Experimenten zur Untersuchung der supramolekularen Dynamik von Cucurbit[n]uril-Mehrkomponenten-Wirt-Gast-Systemen

• Antragsteller: Dr. Tim Kohlmann
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 554475391

Die ganze Welt basiert auf Komplexität, auf verflochtenen Wechselwirkungen verschiedener chemischer Moleküle in Systemen, die eine ständige Energieversorgung benötigen. Ein Großteil dieser Komplexität, die in der Natur beobachtet werden kann, basiert auf supramolekularer Chemie (d.h. die Spezies werden durch intramolekulare Kräfte zusammengehalten), wobei eine Vielzahl von Strukturen mit vielseitigen dynamischen Umwandlungen möglich sind. Als System werden in diesem Projekt Wirt-Gast-Komplexe mit Cucurbit[n]urile (CB[n]) als Wirte untersucht. Ziel ist die Entwicklung eines Ansatzes, bei dem Simulationen der Kinetik des Systems die möglichen Strukturen von Gästen definieren, die wahrscheinlich zu einem gewünschten Zielergebnis führen. Den Simulationen folgen Experimente, um festzustellen, ob die gewünschte Funktion erreicht werden kann. Die Simulationen bestimmen den Parameterraum, der zum angestrebten Ergebnis führt, nämlich die Konzentrationen von Wirten und Gästen, Geschwindigkeits- und Gleichgewichtskonstanten sowie den Zeitpunkt der Zugabe der Systemkomponenten. Die Bildung von Gastkomplexen wird durch Fluoreszenzstudien bestimmt, während die Kinetik durch Stopped-Flow-Untersuchungen untersucht wird. In komplexen Systemen mit mehreren konkurrierenden Reaktionswegen können die Eigenschaften des Systems nicht anhand der für paarweise Wechselwirkungen bekannten Parameter (Geschwindigkeits- und Gleichgewichtskonstanten) vorhergesagt werden. Das erste angestrebte Ergebnis besteht darin, ein System zu implementieren, das unter kinetischer Kontrolle gehalten werden kann. Ein ditopischer Gast wird verwendet, bei dem die Naphthyleinheit an CB[7] bindet, während die Alkylammoniumeinheit an CB[6] bindet und diese beiden Einheiten durch zwei Abstandshalter unterschiedlicher Länge getrennt sind. Die konkurrierenden Wege werden die irreversible Bildung des CB[6]-Komplexes sein, während die reversible schnelle Komplexierung an CB[7] die kinetische Falle darstellt. Sobald das CB[6]/CB[7]-System implementiert ist, werden Studien mit dem größeren CB[8]-Makrozyklus durchgeführt, um die Robustheit der Simulations-/Experimentalmethodik zu testen und die Arten von Konkurrenzpfaden zu erweitern, die untersucht werden, da CB[8] leicht Komplexe mit zwei organischen Gastmolekülen bildet. Der Impact dieser Arbeit wird darin bestehen, eine Simulations-/Experimentiermethodik zu implementieren, die schnell prüft, ob ein bestimmter Gast geeignet ist, ein vordefiniertes Ergebnis für ein supramolekulares System zu erzielen. Die vorgeschlagene Arbeit wird auch zu mechanistischen Erkenntnissen darüber führen, wie ein supramolekulares System aufgebaut und gesteuert werden kann, welches konkurrierende Wege und erhöhte Komplexität enthält.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Kanada
• Gastgeberin: Professorin Dr. Cornelia Bohne