25.06.2021 Die Lösung für Supertetraeder: Abschirmung ja, aber in Maßen

Team aus der Chemie präsentiert Molekül, das vereint, was als unvereinbar galt

Löslichkeit und gutes opto-elektronisches Verhalten bei ein und demselben Molekül – diese Eigenschaften lassen sich auch bei exotischen Verbindungen erreichen, bei denen man das bislang vergeblich versucht hat. Das zeigen Chemikerinnen und Chemiker aus Marburg und Karlsruhe in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ anhand von Clustermolekülen in Form von „Supertetraedern“.

Chemische Verbindungen in Form von Dreieckspyramiden lassen sich ihrerseits wieder zu Super-Dreieckspyramiden stapeln – Fachleute sprechen von Supertetraedern. „Diese Moleküle besitzen einzigartige Eigenschaften, sind aber in gängigen Lösungsmitteln häufig sehr schlecht löslich“, erklärt Professorin Dr. Stefanie Dehnen von der Philipps-Universität Marburg, eine der beiden Leitautoren des wissenschaftlichen Aufsatzes.

Ob eine Substanz in einem bestimmten Lösungsmittel löslich ist, hängt davon ab, ob sie aus geladenen Teilchen besteht, also aus Ionen, oder aus neutralen Molekülen. Stoffe aus Ionen lösen sich vorwiegend in polaren Lösungsmitteln, zum Beispiel in Wasser; unpolare Stoffe lösen sich eher in unpolaren organischen Lösungsmitteln, wie etwa in flüssigen Kohlenwasserstoffen. „Supertetraeder mit besonders interessanten Eigenschaften bilden Salze, die sich nur in extrem polaren Lösungsmitteln lösen, deren Aggressivität die Supertetraeder aber zerstört“, legt Dehnen dar. In weniger polaren Lösungsmitteln lösen sie sich nur dann, wenn ihre Ladungen durch organische Gruppen abgeschirmt werden. „Solche Supertetraeder zeigen aber erheblich schlechtere opto-elektronische Eigenschaften“, ergänzt der zweite Leitautor des Artikels, Professor Dr. Florian Weigend – also ausgerechnet diejenigen Eigenschaften, die die Moleküle für technische Anwendungen interessant machen.

Der logische Weg, um diese Hindernisse zu überwinden, bestünde in der Herstellung von Supertetraedern, die eine nur geringe Anzahl organischer Gruppen aufweisen: Deren Abschirmung sollte ausreichen, um die Verbindungen in gängigen organischen Lösungsmitteln zu lösen, ohne jedoch das opto-elektronischen Verhalten zu beeinträchtigen. „Das zu lösende Problem liegt also darin, einen entsprechenden synthetischen Ansatz für solche Zielverbindungen zu finden“, sagt Dehnens Mitarbeiter Dr. Bertram Peters, der als Erstautor der Fachveröffentlichung firmiert. Denn alle Versuche, zuerst Supratetrader herzustellen und die abschirmenden organischen Gruppen im Nachhinein hinzuzufügen, sind bislang gescheitert.

Das Team fand ein Verfahren, um die organischen Gruppen schon während der Bildung der Supratetraeder anzubringen. Und tatsächlich: Im Gegensatz zu verwandten Verbindungen, die keine organischen Gruppen enthalten, sind die erzeugten Supertetraeder in gängigen organischen Lösungsmitteln vollständig löslich.

Um zu beweisen, dass die Supertetraeder-Cluster in Lösung unversehrt bleiben, untersuchte das Forschungsteam die erzeugten Verbindungen mittels Kernspinresonanz- und Massenspektrometrie. Eine Kombination optischer Spektroskopie mit quantenchemischen Rechnungen bestätigte außerdem, dass die Clustermoleküle die erwünschten physikalischen Eigenschaften aufweisen. „Insgesamt liefern die Ergebnisse eine einzigartige Perspektive für die Verwendung von löslichen supertetraedrischen Clustern für opto-elektronische Anwendungen in der Zukunft“, schreiben die Autorinnen und Autoren.

Professorin Dr. Stefanie Dehnen lehrt Anorganische Chemie an der Philipps-Universität Marburg; sie gehört dem Vorstand der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) als Vizepräsidentin an. Professor Dr. Florian Weigend leitet die Abteilung für Angewandte Quantenchemie an der Philipps-Universität Marburg. Neben den Arbeitsgruppen von Dehnen und Weigend beteiligte sich Fabian Mack vom Karlsruher Institut für Technologie an der Veröffentlichung. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft förderte die zugrunde liegende wissenschaftliche Arbeit durch ihr Schwerpunktprogramm SPP 1708.

Originalveröffentlichung: Bertram Peters & al.: Highly Soluble Supertetrahedra upon Selective Partial Butylation of Chalcogenido Metalate Clusters in Ionic Liquids, Angewandte Chemie Internationale Ausgabe 2021, DOI: 10.1002/anie.202104867