Broschüre 1995

Supramoleküle und ihre Eigenschaften

Dass Moleküle in der Chemie von Bedeutung sind, ist seit langem bekannt. Heute werden Chemiker und Chemikerinnen aber mit supramolekularer Chemie konfrontiert. Was versteht man darunter und wofür soll das gut sein ?

Supramolekulare Chemie beschäftigt sich mit dem "kollektiven Verhalten" unterschiedlicher Moleküle, die sich - nachdem man sie in einem Gefäss vermengt - automatisch zu einer bestimmten Struktur mit einer bestimmten Funktion zusammenballen, zum Beispiel zu einem ultradünnen Draht oder einer supramolekularen Maschine.

Das Besondere an der supramolekularen Chemie ist, dass sie die traditionellen Grenzen zwischen wissenschaftlichen Disziplinen überwindet. Sie dient als Treffpunkt zwischen organischen, anorganischen oder physikalischen Chemikerinnen mit Biologen, Physikern und Material-Wissenschaftlerinnen. Das Gebiet stimuliert intellektuell und ist immer voll von Überraschungen. Sie ist auch einer der Schwerpunkte im Leitbild für die Zukunft des Departements Chemie. Dieser kurze Artikel beschreibt einige Beispiele von "supramolekularer Chemie in Aktion" aus der Forschung von Professor Edwin Constable am Institut für Anorganische Chemie.

Seine Absicht ist es, molekulare Multi-Komponenten-Maschinen zu bauen. Für das Zusammenbringen der molekularen Bestandteile erweisen sich Kenntnisse, welche aus geeigneten biologischen Systemen gewonnen wurden, als ebenso hilfreich, wie sehr einfache Vorstellungen aus der anorganischen Komplex-Chemie.

Ein einfaches Beispiel für die Leistung der Methode gibt das Supramolekül auf dem folgenden Bild:

Es ist eine doppel-helikale Verbindung, die von zwei "molekularen Fäden" und zwei Metall-Ionen gebildet wird. Es wurde durch Mischen der organischen Fäden mit einer Lösung eines Metall-Salzes hergestellt. Die Metall-Ionen beinhalten einen Kode (Koordinationszahl und Geometrie), der zum Kode in den Fäden (Zahl, Typ und Anordnung von Donor-Atomen) passt, sodass die doppelte Spirale das einzige mögliche Produkt der Reaktion ist. Solche Reaktionen sind als Selbst-Zusammenbau bekannt und machen das Leben des supramolekularen Chemikers sehr leicht. Wie oft hat man sich beim Verlassen des Labors gefragt, warum die Moleküle "sich nicht selbst zusammenbauen" In der Supramolekularen Chemie, tun sie genau das! Natürlich wird viel Zeit und Genialität für den Entwurf und die Vorbereitung der korrekten molekularen Fäden benötigt!

Ein Ziel der Forschungsgruppe ist der Entwurf molekularer Maschinen, die Wasser mittels Sonne in seine Bestandteile, Sauerstoff und Wasserstoff, umwandeln können. Diese Umwandlung wird von Pflanzen Tag für Tag vollzogen und es ist die Biologie, die die Vorstellungen für die Maschine geliefert hat. Die Maschine besteht aus drei Funktionseinheiten:

Der erste Teil ist eine "Antenne", die das Licht sammelt. Der zweite Teil ist ein "molekularer Draht", der Elektronen oder Energie von der Antenne zum dritten Teil transportiert. Letzterer katalysiert die Reaktion:

2H2O -> 2H2 + O2

Metall-Ionen kommen in grosser Zahl sowohl in biologischen Systemen als auch in den von Professor Constable gebauten molekularen Maschinen vor. In den künstlichen Maschinen werden Metall-Ionen benutzt, um die photochemischen Eigenschaften der Antenne im ersten Teil zu kontrollieren, um den "Draht" im zweiten Teil der Maschine leitend zu machen, und schliesslich, um die katalytische Stelle im dritten Teil herzustellen, an der das Wasser gespalten wird. Zusätzlich bewirken Metall-Ionen die Koordination verschiedener Bestandteile. Eine solche Umwandlung von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff durch Sonnenlicht stellt eine interessante alternative Energiequelle dar, die ohne Produktion gefährlicher Nebenprodukte (wie z.B. Kohlendioxid beim Verbrennen fossiler Brennstoffe) auskommt. Selbstverständlich braucht es dazu viel Sonnenschein!

Die abschliessenden Beispiele konzentrieren sich auf einen anderen Aspekt der supramolekularen Chemie. Die supramolekularen Verbände wirken ästhetisch und zeichnen sich oft durch grosse Schönheit aus. Es ist wahrscheinlich ehrlich zu sagen, dass sich Chemiker und Chemikerinnen weit mehr durch die Symmetrie und Schönheit der Verbindungen, die sie studieren, beeinflussen lassen, als sie gewöhnlich zugeben. Eine Herausforderung für moderne Chemiker ist es, den Bau von Systemen zu verstehen und zu kontrollieren, die viel grösser sind, als die in der traditionellen molekularen Chemie untersuchten. Ein wichtiges Ziel in der supramolekularen Chemie ist der Bau von baum-ähnlichen Molekülen. Diese sehr schönen Systeme sind als "Dendrimere" bekannt. Die Methode zu deren Bau gleicht einer Kettenreaktion. Jeder molekulare Bestandteil besitzt zwei Typen von reaktiven Stellen, z.B. A und B. Die Stellen A und B können entweder direkt oder nach einem Aktivierungsprozess zusammen reagieren. Für jede Stelle A gibt es mehrere Stellen B. Betrachten Sie ein Molekül X mit einer Stelle A und zwei Stellen B. Es soll mit einem anderen Molekül Y reagieren, das nur zwei Stellen B besitzt. Zwei Moleküle X verbinden sich mit einem Molekül Y. Das Produkt hat jetzt vier Stellen B und kann mit weiteren vier Molekülen X reagieren. Dieses Produkt wiederum hat insgesamt acht Stellen B ... und so weiter. Ein Beispiel eines Metall-Ionen enthaltenden Dendrimers, das so synthetisiert wurde, ist in folgender Abbildung zu sehen:

In Zukunft wird diese Art von Zusammenbau in den Entwurf der Maschinen von Professor Constable integriert.

Damit sind wir am Ende unseres kurzen Überblicks über die supramolekulare Chemie. Wir möchten es jedoch nicht unterlassen, zu sagen, dass die Strukturen zwar schön und die Anwendungen wichtig sind, dass aber diese Art von Chemie vor allem viel Spass macht!


Foto C. Giger

Professor Constable promovierte 1980 an der Universität Oxford in England. Bis 1993 war er Dozent in Cambridge, von wo er einem Ruf als Ordinarius an die Universität Basel folgte. Seine Interessen gelten den anorganischen Aspekten der supramolekularen und der biologischen Chemie. Die Entwicklung "molekularer Maschinen" ist ein zentrales Thema seiner Forschung.


 
 

Chemie an Schweizer Hochschulen:


Wo stehen wir im internationalen Vergleich ?

Wenn Sie mehrere Fachleute nach ihrer "Best of" Liste befragen, erwartet Sie mit Sicherheit eine bunte Palette vollkommen unterschiedlicher Ranglisten.

Die bedeutende wissenschaftliche Zeitschrift Science wollte es genauer wissen. Sie gab dem Institute for Scientific Information (Philadelphia, USA) eine systematische Studie in Auftrag. Die Ergebnisse sind in Science, Band 260 (18. Juni 1993, S. 1738) zusammengefasst.

Welche Kriterien spielten in der Untersuchung eine Rolle ? Wissenschaftliche Arbeiten werden normalerweise von einer Forschungsgruppe an Fachzeitschriften gesandt, von "Referees" begutachtet und bei ausreichender "Qualität" publiziert. Andere Forschungsgruppen beziehen sich auf diese publizierten Arbeiten und zitieren sie. Das Institute for Scientific Information hat nun angenommen, dass gute Arbeiten häufiger zitiert werden als schlechte, sodass das Verhältnis "Anzahl Zitate / Anzahl publizierte Arbeiten" ein Qualitätsmerkmal darstellt. Es ist klar, dass dieses Kriterium im Einzelfall nicht immer erfüllt sein muss, aber es sollte immerhin den Trend richtig wiedergeben.

Wie sehen die Resultate (für Arbeiten, die zwischen 1988 und 1992 publiziert wurden) aus ?

In der Länderrangliste steht die Schweiz auf Platz 3 in klarem Abstand zu den USA und knapp hinter Israel. In der Rangliste der einzelnen Hochschulen oder Forschungsinstitute finden wir die ETH Zürich und die Universität Basel mit gleicher Punktzahl unter den ersten zehn. Auch die Universitäten Lausanne (11) und Zürich (19) haben einen Platz unter den ersten 25 erobert. Dieses Ergebnis darf sich sehen lassen, sollte aber nicht darüber hinwegtäuschen, dass die Zukunft nicht rosig aussieht. Der Wegzug chemischer Produktionsstätten und der Sparzwang der öffentlichen Hand ist nicht dazu angetan, den Chemiestandort Schweiz zu stärken. Umso grössere Anstrengungen müssen wir an den Hochschulen unternehmen, die Qualität zu erhalten und zu fördern. Chemikerinnen und Chemiker haben immer noch gute Berufsaussichten, wenn sie mit vollem Engagement in ihrem Beruf wirken.


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