Moleküle im Anzug

Chemiker haben einen neuen Typus rein mechanisch miteinander verzahnter Moleküle synthetisiert.

Zwei einzelne, nicht chemisch miteinander verknüpfte Moleküle, die rein mechanisch ineinander verkeilt und auf diese Weise fest miteinander verbunden sind, stellen eine enorme Herausforderung an die Wissenschaft dar. Ein britisch-amerikanisches Team hat nun einen ganz neuen Typus solcher völlig miteinander verblockten Moleküle entworfen und einen ersten Protagonisten synthetisiert. „Suitane“ nennen die Forscher diese neuartige Verbindungsklasse. Das Wort leitet sich ab vom englischen Wort suit, zu Deutsch Anzug. Und in der Tat kann man sich solche Molekülkomplexe vorstellen als einen „Torso“ mit zwei oder mehr „Gliedmaßen“, der von einem einteiligen „Kleidungsstück“ umhüllt wird. Je nach Anzahl der Gliedmaßen wird eine Zahl in den Namen eingefügt: Ein Suit[2]an hat zwei, ein Suit[3]an drei, ein Suit[4]an entsprechend vier Gliedmaßen. „Ein Suit[5]an erinnert an eine Puppe, die einen einteiligen Strampelanzug trägt, aus dem fünf Gliedmaßen herausragen: die beiden Beine, die beiden Arme und der Kopf“, erklärt J. Fraser Stoddart, einer der Pioniere auf dem Gebiet der supramolekularen Chemie.

Dem Team um Stoddart (University of California, Los Angeles) und David J. Williams (Imperial College, London) ist es gelungen, den einfachsten Vertreter dieser Klasse zu synthetisieren: ein Suit[2]an. Mit Hilfe von Computersimulationen entwarfen sie zunächst einen Schlachtplan. Das innere Molekül, der „Körper“ sollte ein längliches, relativ starres, der Anzug ein eher flexibles Molekül sein, das in mehreren Einzelteilen um den Körper herum gebaut werden sollte. Alle einzelnen Bausteine mussten sowohl von ihrer Gestalt, ihrer Größe als auch hinsichtlich ihrer funktionellen Gruppen perfekt auf einander abgestimmt sein.

Als erstes stellten die Forscher ein starres, lineares Molekülgerüst her: An einem schlanken Mittelteil (der zentrale aromatische Ring) befinden sich zwei wulstige „Schultern“ (Anthracen-Ringsysteme), daran hängt je ein „Arm“. Danach wurde dem Molekül der Anzug angezogen – allerdings stückweise, erst zum Schluss sollten die Teile zum Einteiler „vernäht“ werden: Zwei große, ringförmige Moleküle (Kronenether) stülpten sich in einem Selbstorganisationsprozess wie Ärmel über je einen Molekül-Arm. Torso, Arme und Ärmel waren chemisch so gestaltet, dass sie in intensive Wechselwirkungen traten, die die Ärmel fest an ihrem Platz hielten. Im folgenden Schritt wurde eine weitere, kleinere Molekülart (aromatischer Ring) zugegeben. Diese Moleküle trugen zwei gegenüber liegende Atomgruppierungen (Aminogruppen), die in anziehende Wechselwirkung mit je einer dazu passenden Stelle an je einem Ärmel traten. Im letzten Schritt wurden dann chemische Bindungen an diesen vier Kontaktstellen geknüpft und die beiden Ärmel so über die beiden Seitenteile zu einem einzigen, großen Molekül verbrückt, das das Torso-Molekül nun fest umfängt, ohne chemisch mit ihm verbunden zu sein.

„Wege zu finden, wie man einem Molekül ein zweites überzieht, ist eine Vorstufe für die Konstruktion künstlicher Systeme, die lebenden Zellen ähneln“, sagt Stoddart.

Quelle: Angewandte Chemie

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Avril R. Williams et al., Suitanes, Angewandte Chemie 118 (published online, 19. September 2006).
  http://dx.doi.org/10.1002/ange.200602173
• Arbeitsgruppe von J. Fraser Stoddart, University of California, Los Angeles (USA):
  http://stoddart.chem.ucla.edu