Saturn im Nanomaßstab

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.

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