In nur einem Schritt fertig: Oktaedrische Container im Nanomaßstab

04.01.2006: Container im Nanomaßstab sind eine gefragte Spezies, denn sie sind in der Lage, Moleküle in sich aufzunehmen. Sie dienen beispielsweise als molekulare Reaktionskammern für kontrollierte chemische Reaktionen, Transporter und Speicher für Pharmaka oder Pflanzenschutzmittel und können Giftstoffe aus Wasser herausfiltern. Die Synthese solcher Kapseln ist nicht einfach. Amerikanische Forscher von der Rutgers University haben nun einen oktaedrischen Nanocontainer hergestellt, dessen 18 Bauteile sich in nur einem einzigen eleganten Reaktionsschritt korrekt verknüpfen lassen.

Die chemische Verknüpfung einzelner Bauteile zu einem molekularen Container, der groß genug ist, um mehrere oder große Gastmoleküle aufzunehmen, ist meist eine extrem kniffelige Angelegenheit, die viele komplizierte Reaktionsschritte umfasst. Daher wurde bisher eine andere Alternative gewählt: Man wählt einzelne Bauteile, die in der Lage sind, sich in einem Selbstorganisationsprozess zu einem supramolekularen Gebilde zusammenzulagern. Die Bauteile werden dabei allerdings nicht über feste chemische ("kovalente") Bindungen mit einander verknüpft, sondern liegen als Aggregat individueller Moleküle vor. Das Team um Ralf Warmuth hat nun einen Weg gefunden, wie sich Einzelteile genauso spontan und reibungslos in einem Schritt kovalent zu einem einzigen Riesenmolekül in Form eines Containers verbinden lassen.

Die Forscher benutzen für ihre Synthese zwei verschiedene "Bauteile": sechs große halbschalenförmige Moleküle und zwölf kleine Moleküle als Verbrückungselemente. Jede Halbschale trägt vier Atomgruppen, die besonders gern mit einer der reaktiven Amino-Gruppen an den Brückenenden eine Liaison eingehen. Die beiden Substanzen einfach auflösen und im richtigen Mengenverhältnis mit einander mischen - und schon reagieren die Bausteine wie von selbst zu oktaedrischen kapselartigen Riesenmolekülen. Damit dieses kleine Wunder gelingt, muss die erstaunliche Zahl von 24 neuen Imin-Bindungen so gut wie fehlerfrei geknüpft werden. Wie kann das klappen? Erfolgsgeheimnis: 1.) Die oktaedrische Anordnung ist die energetisch günstigste unter den möglichen Formen. 2.) Die Knüpfung der Bindungen ist reversibel, das heißt, dass die frischen Imin-Bindungen unter den gewählten Reaktionsbedingungen leicht auch wieder aufgehen können. So haben die Bauteile die Gelegenheit, sich nach und nach in der bevorzugten Weise zu arrangieren.

"Die oktaedrischen Container bieten die Möglichkeit für Variationen, so dass sich gezielt maßgeschneiderte Behälterchen herstellen lassen sollten," sagt Warmuth. "Ob sich unser Syntheseprinzip auch auf andere molekulare Bausteine anwenden lässt, testen wir derzeit."

Originalveröffentlichung: R. Warmuth; "One-Pot, 18-Component Synthesis of an Octahedral Nanocontainer Molecule"; Angewandte Chemie 2005.