03.06.2022 - Technische Universität Chemnitz

Metallischer Fünfring verschiebt die Grenzen der Aromatizität

Forschern gelingt Synthese eines Moleküls, das eigentlich nicht existieren sollte

Wie viele Atome kann ein aromatischer Ring haben, wenn er lediglich zwei Elektronen aufweist? Seit kurzem lautet die Antwort: Fünf! Einem Team aus der Chemie gelang erstmals durch die Kombination von Experiment und Theorie die Synthese und Beschreibung eines fünfgliedrigen Aromaten – einer wichtigen Stoffklasse in der Chemie. Damit ist erreicht, was seit Jahrzehnten probiert und zwischenzeitlich für unmöglich gehalten wurde. Die Forschungsgruppen um den Chemieprofessor Dr. Robert Kretschmer von der Technischen Universität Chemnitz, Dr. Oliver Dumele von der Humboldt Universität zu Berlin und Chemieprofessor Dr. Florian Weigend von der Philipps-Universität Marburg berichten über ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie International Edition“.

Aromatische Verbindungen müssen nicht zwingend duften

„Mit dem Begriff aromatisch verbindet man normalerweise dem Duft einer Verbindung. In der Chemie steht er aber auch für Verbindungen, die einen Ring bilden, in dem sich Elektronen verteilen können. Das macht die Ringe stabiler, weshalb Schätzungen zufolge etwa zwei Drittel der heute bekannten chemischen Verbindungen ganz oder teilweise aromatisch sind“, erläutert Kretschmer.

Die Aromatizität ist eines der grundlegendsten Konzepte der Chemie und geht auf den deutschen Chemiker August Kekulé zurück. Seit seinen ersten Arbeiten im Jahr 1865 versuchen Forscherinnen und Forscher eine umfassende Definition zu finden und entdecken dabei immer wieder neue Arten der sogenannten Aromatizität. Damit ein Molekül als aromatisch gilt, muss es mindestens zwei Elektronen aufnehmen und über den Ring verteilen. Meist sind es aber deutlich mehr, nämlich zwischen sechs und bislang maximal 162 Elektronen. Während der Höchstrekord bezüglich der Anzahl der Elektronen regelmäßig übertroffen wurde, ging man bislang davon aus, dass sich mit den mindestens benötigen zwei Elektronen maximal Ringe mit vier Atomen stabilisieren lassen. Denn je größer ein Ring wird, desto weniger zusätzliche Elektronen stehen pro Atom zur Verfügung, weshalb der stabilisierende Effekt immer kleiner wird.

Überraschendes Fazit: Zwei Elektronen können Ringe mit fünf Atomen stabilisieren

Dem Team von Prof. Dr. Robert Kretschmer, der erst kürzlich die Professur Anorganische Chemie an der TU Chemnitz übernommen hat, ist es nun gelungen, diese Grenze zu verschieben. Sie synthetisierten eine Verbindung, die als zentrales Strukturelement einen flachen Ring aus fünf Gallium-Atomen enthält. „Als wir die Kristallstruktur vor Augen hatten, waren wir ziemlich beeindruckt“, sagt Kretschmer, „denn die Tatsache, dass der Ring flach ist und dass die Bindungen innerhalb des Rings ähnliche Abstände aufweisen, sind schon deutliche Indizien für den aromatischen Charakter des Moleküls“. Spektroskopische Untersuchungen gaben dann weitere Hinweise auf dessen aromatische Natur. In Kooperation mit den Forschungsgruppen von Oliver Dumele, in Berlin und Florian Weigend in Marburg wurde das neue Molekül auch quantenchemisch untersucht. Das Ergebnis: „Die Verbindung ist aromatisch, wenn auch nur schwach, was jedoch erwartet werden kann, wenn sich zwei Elektronen auf fünf Ringatome verteilen müssen“, so Kretschmer.

Als nächstes wollen die Forscherinnen und Forscher in Berlin, Chemnitz und Marburg die Reaktivität der neuen Verbindung genauer studieren und diese für die Synthese neuartiger Komplexe verwenden.

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