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17.01.08 Sensor zur Messung der Enantiomerenreinheit

Sensor misst "verkehrte" Moleküle

ETH-Forschende haben ein neuartiges Prinzip für einen Sensor entwickelt, der Enantiomere schnell und eindeutig bestimmen kann. Die Methode könnte traditionelle Verfahren wie die Chromatographie ergänzen und in manchen Fällen auch ablösen.

Peter Rüegg (ETHZ)

Milchsäure ist ein Schulbeispiel für das Phänomen der Chiralität. Von diesem Molekül gibt es zwei Formen: eine linksdrehende und eine rechtsdrehende. Beide sind chemisch gleich aufgebaut. Wie die linke und die rechte Hand lassen sich die Moleküle jedoch übereinandergelegt nicht zur Deckung bringen. Solche Enantiomere verlässlich und rasch zu voneinander zu unterscheiden, ist nach wie vor schwierig, denn die physikalischen Eigenschaften, wie etwa Masse oder Siedepunkt der beiden Formen, sind identisch.

Eine Gruppe von Forschern um den ETH-Professor Andreas Hierlemann vom Institut für Quantenelektronik haben deshalb einen Sensor entwickelt, der genau dies kann: Enantiomere rasch und zuverlässig unterscheiden und in einem Gemisch auch die Verhältnisse der verschiedenen Formen zueinander quantitativ bestimmen.

Abb. 1: Der kapazitive chemische Sensor arbeitet mit Cyclodextrinen, welche die Enantiomere fangen. Dies erzeugt gegenläufige Signale für die Enantiomere von Methylpropionaten und ermöglichen eine eindeutige Bestimmung der Art des Enantiomers.
Quelle: A. A. Hierlemann, Inst. für Quantenelektronik, ETHZ

Auf Molekülfang

Der neue Sensor ist nur gerade zwei Quadratmillimeter gross, besteht aus winzigen Elektroden, die von einem hauchdünnen gummiartigen Polymerfilm bedeckt sind. In diesem Polymer ist ein besonderes Molekül, ein Cyclodextrin, gelöst, das selbst chiral ist. Das Cyclodextrin lagert nun die Enantiomere einer gasförmigen Probe, zum Beispiel einer Methyl-Propionat-Verbindung, ein und bildet mit ihnen so genannte assoziierte Komplexe. Enantiomer und Cyclodextrin treten dabei in eine Wechselwirkung, die je nach Enantiomer stärker oder schwächer ausfällt. Das führt im Normalfall zu verschieden langen Retentionszeiten und damit zur Auftrennung eines Gemischs von Substanzen in einer Gaschromatographiesäule oder verschieden hohen Sensorsignalen, die gemessen werden können.

„Neu hier ist, dass nicht nur ein verschieden hohes Signal erzeugt wird. Für das jeweilige Enantiomer haben die Signale sogar verschiedene Vorzeichen“, betont Hierlemann. Dadurch sehe man sofort, welche Form oder welches Enantiomer in der Probe vorliege. Weitere Versuche haben den Wissenschaftlern zudem aufgezeigt, dass der Sensor auch quantitativ die Verhältnisse, in welchen die Enantiomere in einer Probe zueinander stehen, also die Enantiomerenreinheit, messen kann, und zwar auf einen Prozentpunkt genau.

Unerwarteter Vorzeichenwechsel

„Wir haben nicht erwartet, dass die jeweiligen Enantiomer-Cyclodextrin-Komplexe im elektrischen Feld unterschiedliches Verhalten zeigen. Dass sie gar verschiedene Signalvorzeichen erzeugten, ist für uns überraschend“, sagt Hierlemann. Er erklärt sich dies mit fundamental unterschiedlichen Einlagerungsmechanismen der Enantiomere in das Cyclodextrin, was sich in den verschieden starken Wechselwirkungen zeigt.

Eine Einschränkung gibt es dennoch: Nur bei extrem geringen Konzentrationen zwischen 5 bis 100 ppm zeigten die Signale unterschiedliche Vorzeichen, bei höheren Konzentrationen dann nicht mehr, was der ETH-Professor auf eine, bei höherer Konzentration auftretende Vollbesetzung der Cyclodextrinmoleküle zurückführt.

Zeit sparen in der Analytik

Ein solcher Sensor dürfte auch für verschiedene Industriezweige interessant sein. Bei der Herstellung von pharmazeutischen Vorläufersubstanzen für Medikamente etwa können verschiedene Enantiomere entstehen, meist wird jedoch nur eine Form benötigt. Die andere kann sogar schädlich sein. Deshalb ist es wichtig zu wissen, welche Form eines Moleküls vorliegt. Bis anhin müssen jedoch eher zeitaufwendige laboranalytische Methoden zur Bestimmung der Identität oder Reinheit der Verbindungen eingesetzt werden. Noch ist der Sensor nicht universell einsetzbar. In ihren Tests verwendeten die Forscher Methyl-Propionat-Verbindungen, um das Prinzip zu beweisen. Ob der Sensor auch für andere Substanzen brauchbar ist, muss noch getestet werden, sagt Andreas Hierlemann..

Quelle:

Opposite Signs of Capacitive Microsensor Signals upon Exposure to the Enantiomers of Methyl Propionate Compounds
P. Kurzawski, A. Bogdanski, V. Schurig, R. Wimmer, A. Hierlemann, Angew. Chem. 2008, 120, 927. DOI: 10.1002/ange.200704346

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Sensor zur Messung der Enantiomerenreinheit
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