Pressemitteilung 2021/111 vom

Hochreaktive Moleküle k?nnen in der Natur nicht lange überleben. M?chten Wissenschaftler sie genauer untersuchen, müssen sie unter sehr speziellen Laborbedingungen hergestellt werden. Viele dieser winzig kleinen Teilchen haben eine hervorstechende Eigenschaft im Vergleich zu ?normalen“ Molekülen: Sie gehen einfach mit allem, was sie umgibt, eine Verbindung ein und lassen sich daher sehr schlecht kontrollieren. Forschenden des Wilhelm-Ostwald-Instituts für Physikalische und Theoretische Chemie der Universit?t Leipzig unter der Leitung von Dr. Jonas Warneke ist ein entscheidender Fortschritt bei der Erforschung einer Sorte extrem hochreaktiver Teilchen gelungen: Sie haben deren "Bindungsvorlieben" erforscht und verstanden.

Dies ist die Grundlage, um diese hochreaktiven Moleküle gezielt einsetzen zu k?nnen, etwa für die Erzeugung neuer Molekülstrukturen oder um gef?hrlichen chemischen "Müll" zu binden und somit zu entsorgen. Ihre Erkenntnisse haben sie jetzt in der Fachzeitschrift "Chemistry - A European Journal" ver?ffentlicht und durften zus?tzlich aufgrund der hervorragenden Fachgutachten ein Journal-Cover gestalten.

Was Moleküle und Menschen gemeinsam haben

Moleküle und Menschen haben einiges gemeinsam: Es gibt jene, die tr?ge sind und lieber unter sich bleiben und es gibt solche, die sehr aktiv und kontaktfreudig sind. Und dann gibt es noch diejenigen, die mit ihrem Zustand so unzufrieden sind, dass sie wahllos ihre Umgebung attackieren. M?chte man sie dazu bringen, sich sozial zu verhalten, muss man zun?chst den Grund für ihre Attacken verstehen. So ?hnlich geht es Chemikerinnen und Chemikern mit hochreaktiven Verbindungen: Aufgrund ihrer enormen Reaktivit?t sind gezielte Synthesen (das Herstellen eines bestimmten Moleküls) mit ihnen extrem schwierig. Denn m?chte man diese hochreaktiven Verbindungen mit einem bestimmten anderen Molekül reagieren lassen, scheitert das meistens schon daran, dass sie stattdessen mit dem L?sungsmittel in ihrer Umgebung reagieren. Sie verbinden sich mit allem, was sich ihnen in den Weg stellt. ?Genau darin besteht aber auch die gro?e Chance, die diese Verbindungen bieten. Denn sie schaffen es, selbst sehr unreaktive kleine Moleküle und Atome zu einer Reaktion zu bewegen, die auf anderem Wege nicht m?glich gewesen w?re“, erl?utert Warneke. 

Hochreaktive Verbindungen gezielt lenken

Schon seit einigen Jahren wird am Wilhelm-Ostwald-Institut an einer speziellen Art von hochreaktiver Verbindung mit zw?lf Boratomen geforscht, die sogar die sehr unreaktiven Edelgase binden kann. Dabei haben elf Boratome einen Bindungspartner (einen sogenannten Substituenten), w?hrend das zw?lfte Boratom den Angriff durchführt. Wie lassen sich diese hochreaktiven Verbindungen lenken, damit in Zukunft gezielte Synthesen m?glich sind? Um das herauszufinden, haben die Forschenden am Wilhelm-Ostwald-Institut diese hochreaktiven Verbindungen in dem l?sungsmittelfreien und luftleeren Raum eines Massenspektrometers erzeugt und damit so isoliert, dass sich keine angreifbaren Strukturen in ihrer Umgebung befinden.

In einem zweiten Schritt wurden der hochreaktiven Verbindung gezielt Reaktionspartner zugeführt, die von dieser angegriffen wurden. Dabei stellten die Forschenden fest, dass sich die ?Angriffslust“ der Verbindung ?nderte, wenn die Substituenten ver?ndert wurden. ?Das war zun?chst nicht erstaunlich“, sagt Warneke. ?Allerdings stellten wir dann fest, dass die Angriffslust durch diesen Austausch von Atomen nicht einfach nur st?rker oder schw?cher wurde, sie hing stark davon ab, welcher Reaktionspartner vorhanden war.“ Die Reaktionsvorlieben abh?ngig vom Substituenten konnten die Forschenden auf eine ganz spezielle chemische Bindung zurückführen, die sich unterschiedlich stark und abh?ngig vom Reaktionspartner ausbildet.

Die Erkenntnis war für die Forschenden überraschend, da diese Art von Bindung in der Chemie eher für Metallverbindungen bekannt ist und nicht für die untersuchten Bor-Verbindungen, die den Nichtmetallverbindungen zuzurechnen sind. Diese Hypothese konnte durch spezielle experimentelle und theoretische Methoden von der Nachwuchsforschergruppe Warneke in Zusammenarbeit mit den Arbeitskreisen von Prof. Dr. Knut Asmis und Prof. Dr. Ralf Tonner vom Wilhelm-Ostwald-Institut schlie?lich zweifelsfrei belegt werden. Zusammen mit Partnern aus Wuppertal setzt die Wissenschaftlergruppe ihre Forschung fort. Sie haben die Hoffnung, Moleküle wie Kohlenmonoxid oder Stickstoff aus der Luft auf diese Weise für gezielte Synthesen verwenden zu k?nnen. Bis dahin, so sagt Warneke, sei es aber noch ein langer Weg.

Originaltitel der Ver?ffentlichung in "Chemistry - A European Journal":
"Relevance of π-Backbonding for the Reactivity of Electrophilic Anions [B12X11]? (X=F, Cl, Br, I, CN)", doi 10.1002/chem.202100949.