Jahrzehntelange Suche: aromatisches Molekül mit Silizium erschaffen

Es geschieht nicht so oft, dass in den Naturwissenschaften grundlegende Durchbrüche geschehen. Meist sind die Schritte klein, die Erkenntnis wächst langsam, bis immer mehr Teile eines Puzzles bekannt werden.

Nun ist Chemikern der Universität des Saarlandes aber tatsächlich ein großer Coup gelungen. Sie haben ein stabiles Molekül hergestellt, das Chemiker weltweit jahrzehntelang erfolglos gejagt hatten. Ihre Entdeckung wurde nun in "Science" veröffentlicht.

Aller Anfang ist schwer, gut Ding will Weile haben...: Wenn man möchte, könnte man wissenschaftlichen Fortschritt mit vielerlei Redewendungen zu umschreiben versuchen. Denn oft brauchen größere Durchbrüche ihre Zeit.

Das erfahren derzeit auch David Scheschkewitz, Professor für Allgemeine und Anorganische Chemie an der Universität des Saarlandes, und sein Doktorand Ankur. Gemeinsam mit Bernd Morgenstern von der Servicestelle Röntgenbeugung der Universität des Saarlandes ist ihnen ein Durchbruch gelungen, der fast ein halbes Jahrhundert auf sich warten ließ: Sie haben Pentasilacyclopentadienid erzeugt.

Damit haben es Scheschkewitz und seine Kollegen geschafft, bei einer besonders stabilen Art von Molekülen aus der organischen Chemie die Kohlenstoffatome durch Siliziumatome zu ersetzen. In der Welt, die uns umgibt, spielen solche stabilen Moleküle eine überragende Rolle, etwa bei der Kunststoffherstellung. "In der Polyethylen- und Polypropylen-Herstellung sorgen derartige aromatische Verbindungen dafür, dass die Katalysatoren, die den chemischen Prozess für die Kunststoffherstellung gezielt ablaufen lassen, langlebiger und damit effektiver sind", erklärt David Scheschkewitz.

"Silizium ist viel metallartiger als Kohlenstoff und bindet Elektronen daher viel schlechter", so der Chemiker weiter. Mit Silizium- statt Kohlenstoffatomen im Cyclopentadienid werden neue Verbindungen und Katalysatoren zugänglich, die ganz andere Eigenschaften aufweisen dürften. Es würde sich ein Tor zu einer neuen Welt chemischer Möglichkeiten öffnen. Und dieses Tor haben David Scheschkewitz, Ankur und Bernd Morgenstern nun weit aufgestoßen.

Weshalb es so schwierig war, wird klar, wenn man ein Stück weit in die Chemie eintaucht, die dahintersteckt. Cyclopentadienid, also das kohlenstoffhaltige Vorbild der neu erzeugten Silizium-Verbindung, ist ein aromatisches Kohlenwasserstoffmolekül. Das heißt, es ist planar, die Kohlenstoffatome sind in einem Ring angeordnet und die Verbindung ist besonders stabil. Das liegt daran, dass aromatische Verbindungen eine Art "Elektronen-Sozialismus" betreiben.

"Wir sprechen davon, dass eine aromatische Verbindung eine bestimmte Anzahl gerecht geteilter Elektronen aufweist, die der sogenannten Hückel-Regel folgen", erklärt David Scheschkewitz. Diese Regel, benannt nach dem deutschen Physiker Erich Hückel, besagt, dass die Zahl dieser geteilten Elektronen einem bestimmten Muster folgt. Die Elektronen verleihen dadurch, dass sie sich an jedem beliebigen Kohlenstoffatom des Rings aufhalten können, dem Molekül besonders hohe Stabilität.

Für Silizium gab es diese aromatischen Moleküle jahrzehntelang nur in einer einzigen Variante. 1981 gelang die Herstellung eines Silizium-Analogons von Cyclopropenylkation, einem aromatischen Molekül mit einem Ring aus drei Kohlenstoff- bzw. Siliziumatomen, neben vielen Versuchen, die allesamt erfolglos blieben. Bis jetzt, wo es Ankur, Bernd Morgenstern und David Scheschkewitz gelungen ist, ein fünfatomiges Molekül zu entwickeln, das diese komplexen Eigenschaften aufweist.

Praktisch zeitgleich wurde exakt die gleiche Verbindung im Labor von Takeaki Iwamoto an der Tohoku University in Sendai (Japan) entdeckt. In kollegialer Übereinkunft publizierten die saarländischen und japanischen Forschungsgruppen jetzt in derselben Ausgabe von "Science". Damit ist der Weg geebnet für ganz neue Materialien und Prozesse mit möglicherweise industrieller Relevanz.

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Quelle: Universität des Saarlandes