Moleküle als potentielle Datenspeichersysteme: Multikomponentenreaktionen sind der Schlüssel = Molecules as potential data storage systems: Multicomponent reactions are the key
Creators: name: Boukis, Andreas Christos
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2018
Subjects: Sequence-defined macromolecules
multicomponent reactions
Biginelli reaction
Passerini reaction
Ugi reaction
molecular data storage
digital polymers
molecular cryptography

description: Multikomponentenreaktionen sind Eintopfreaktion in denen drei oder mehr Komponenten zu einem Produkt reagieren, welches Teile aller Ausgangskomponenten enthält. Folglich lassen sich hierbei mehrere chemische Bindungen und strukturell komplexere Reaktionsprodukte in nur einem synthetischen Schritt darstellen.
In der vorliegenden Arbeit wurde der Einsatz von Multikomponentenreaktionen im Hinblick auf Datenspeichersysteme untersucht. In einem ersten Ansatz wurde die Ugi-Vierkomponenten-Reaktion von perfluorierten Säuren genutzt, um eine exemplarische Datenbank, bestehend aus 130 kommerziell erhältlichen Komponenten, zu erstellen. Betrachtet man alle möglichen Permutationen, so kann dieser Ansatz bis zu 500.000 Moleküle generieren, die jeweils in einem einzigen Schritt synthetisiert werden. 500.000 Permutationen entsprechen ca. 18 Bits pro Molekül. Die hier erstmals beschriebenen perfluorierten Ugi Reaktionsprodukte wurden in Kombination mit Advanced Encryption Standard Kryptographie und molekularer Steganographie als molekulare Schlüssel eingesetzt. Diese molekularen Schlüssel dienen als Passwörter für verschlüsselte Daten und wurden auf versteckten und nicht-digitalen Kanälen übertragen, z.B. adsorbiert auf einem festen Trägermaterial oder aufgelöst in einer Flüssigkeit. Die Rückgewinnung und Aufreinigung der molekularen Schlüssel wurde durch die perfluorierten Seitenketten erleichtert. Mittels hochauflösender Tandem-Massenspektrometrie wurde anschließend die molekulare Struktur eindeutig aufklärt und somit der versteckte Schlüssel zur Entschlüsselung geheimer Nachrichten bestimmt. Zum einfacheren Auslesen der Massespektren wurde ein eigens programmiertes Computerskript benutzt. Die Verschlüsselung und Entschlüsselung von Nachrichten oder Daten wurde mit einem unabhängigen Programm durchgeführt.
In einem weiteren Ansatz wurde die Biginelli-Reaktion mit der Passerini-Reaktion in einem sequentiellen Multikomponenten-Reaktionssystem verknüpft. Nach der Bewertung der möglichen Linker-Moleküle und der Etablierung eines geeigneten Lösungsmittelsystems wurden diverse Dihydropyrimidon-α-acyloxycarboxamid-Strukturen in guten bis ausgezeichneten Ausbeuten dargestellt. In einem ersten Reaktionsschritt wurden dazu unterschiedliche Biginelli-Säuren synthetisiert und daraufhin in einer Passerini-Reaktion eingesetzt. Durch die Variation der Komponenten wurde eine Bibliothek strukturell vielseitiger Moleküle synthetisiert. Darüber hinaus wurde erstmalig eine Biginelli-Passerini-Eintopf-Tandem-Reaktion demonstriert, wobei fünf Komponenten in einem Schritt im selben Reaktionsprodukt vereint werden.
In einem dritten Ansatz wurden sequenzdefinierte und informationscodierende Makromoleküle, welche potentiell als Datenspeichermaterialien geeignet sind, dargestellt. Für diese Untersuchung wurde die zuvor erarbeitete Kombination der Passerini- und Biginelli-Reaktion angewandt, um unterschiedliche bifunktionelle Monomere zu synthetisieren. Das Datenspeichersystem basiert auf der Variation von sechs Komponenten pro Wiederholeinheit, wobei aus einer eigens erstellten Datenbank von über 100 unterschiedlichen Komponenten gewählt werden kann. Diese strukturelle Diversität ermöglicht eine Datenspeicherdichte von ca. 24 Bits pro Wiederholeinheit. Die molekulare Information wurde mittels Tandem-Massenspektrometrie ausgelesen, wobei drei wesentliche Fragmentationsmuster identifiziert wurden.