Saturn im Nanomaßstab
Synthese einer komplexen Struktur aus Anthracen-Molekülen und einem C60-Fulleren.
Saturn ist der zweitgrößte Planet unseres Sonnensystems und hat einen charakteristischen Ring. Japanische Forscher haben jetzt einen molekularen Nano-Saturn synthetisiert. Er besteht aus einem kugelförmigen C60-Fulleren als Planet und einem flachen Makrozyklus aus sechs Anthracen-Einheiten als Ring. Dies belegen spektroskopische Untersuchungen und Röntgenanalysen.
Abb.: Strukturmodell eines Nano-Saturn-Makromoleküls mit einem C60-Fulleren in der Mitte. (Bild: Wiley-VCH)
Der Ring eines Nano-Saturn-Systems sollte eine starre zirkulare Form haben und in der Lage sein, die molekulare Kugel in seinem Inneren festzuhalten. Fullerene sind ideale Kandidaten als Nano-Kugel. Im bekanntesten Fulleren, C60 sind die zu Fünfer- und Sechserringen angeordnet wie die Lederflicken bei einem klassischen Fußball. Die π-Elektronen aus ihren Doppelbindungen liegen als Elektronenwolke frei beweglich vor und können bindende Wechselwirkungen zu anderen Molekülen eingehen – etwa einem Makrozyklus, der ebenfalls Wolken aus π-Elektronen hat. Aufgrund der anziehende Wechselwirkungen zwischen den Elektronenwolken kann sich ein Fulleren in den Hohlraum eines solchen Makrozyklus einlagern. Eine Reihe solcher Komplexe wurde bereits hergestellt.
Aufgrund der Lage der Elektronenwolken der Makrozyklen ließen sich bisher jedoch nur Ringe realisieren, die das Fulleren wie einen Gürtel oder einen Reifen umschließen. Beim echten Saturn liegt allerdings ein sehr flacher scheibenförmiger Ring vor. Dies wollten die Forscher vom Tokyo Institute of Technology und von der Okayama University of Science nun im Nanomaßstab korrekt nachahmen. Daher setzten die sie statt auf die Anziehung zwischen den π-Elektronenwolken von Fulleren und Makrozyklus auf die schwache anziehende Wechselwirkung zwischen der π-Elektronenwolke des Fullerens und Elektronen der Kohlenstoff-Wasserstoff (C–H)-Gruppen des Makrozyklus, die keine π-Elektronen sind.
Für den Bau ihres „Saturn-Rings“ wählten sie Anthracen-Einheiten, Moleküle aus drei kantenverbundenen aromatischen Kohlenstoff-Sechserringen. Sechs dieser Einheiten verknüpften sie zu einem Makrozyklus – dessen Hohlraum dann perfekt in Größe und Form zu einem C60-Fulleren passt. 18 Wasserstoffatome des Makrozyklus ragen in dessen Mitte. In der Summe reichen deren Wechselwirkungen mit dem Fulleren aus, um dem Komplex die nötige Stabilität zu verleihen, wie auch Computerberechnungen belegten. Mithilfe von Röngtenuntersuchungen sowie der NMR-Spektroskopie konnte das Team experimentell belegen, dass Saturn-förmige Komplexe entstanden waren.
Wiley-VCH / JOL
