21.10.2015 - Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

"Bermuda-Cluster" entdeckt

Wissenschaftler isolieren erstmals eine Anhäufung von mehreren Metallatomen und entdecken das „Bermuda-Cluster“

Durch die passende Kombination von einfach negativ geladenen Anionen und neutralen Liganden, einer Art molekularem Stützkorsett, ist es Dr. Martin R. Lichtenthaler aus dem Arbeitskreis von Prof. Dr. Ingo Krossing gelungen, erstmals äußerst seltene und mehrfach positiv geladene kationische Indium-Clusterverbindungen zu isolieren. Diese Anhäufung mehrerer Atome stellt einen wichtigen Beitrag für das grundlegende Verständnis der Wechselwirkung von Metallatomen auf dem Weg vom isolierten Atom zum Nanopartikel und schließlich zum klassischen Metall dar.

75 Prozent der chemischen Elemente sind Metalle. Diese können elementar sein, also ausschließlich aus elektrisch leitenden Metallatomen bestehen. Oder sie liegen als Metall-Komplexverbindung vor, indem ein Metallatom von einer bestimmten Anzahl anderer in Liganden gebundener Atome umgeben ist. Für einen fließenden Übergang zwischen diesen beiden Extremen sorgen Metall-Clusterverbindungen: große Moleküle mit zwei oder mehr direkt miteinander verknüpften Metallatomen, die häufig negativ oder neutral geladen sind, doch sehr selten positiv.

Die Freiburger Wissenschaftler isolierten nun erstmals kationische Indium-Clusterverbindungen mit drei bis vier Indium-Metallatomen. Der Schlüssel zum Erfolg waren schwach koordinierende Anionen. Das sind voluminöse, einfach negativ geladene Anionen, die mit den positiv geladenen Kationen kaum in Wechselwirkung treten. Die Forscher kombinierten diese Anionen mit Chelat-Liganden, die jedes Metallatom in der Clusterverbindung von mindestens zwei Positionen aus umschließen. Die Ergebnisse haben das Team überrascht, da die mehrfach positiv geladenen Verbindungen aufgrund der ausgeprägten Abstoßung gleichnamig geladener Teilchen eigentlich „explodieren“ sollten. „Ich hätte nie gedacht, dass solch kuriose Clusterverbindungen zugänglich sind“, sagt Krossing. „Aufgrund der dreieckigen Struktur bezeichnen wir die neuen Verbindungen als Bermuda-Cluster.“

Analoge Versuche mit Gallium, dem leichteren „Verwandten“ des Indiums, führten zu anderen Ergebnissen: Gallium bildet unter vergleichbaren Bedingungen keine Clusterverbindungen, sondern einen ungewöhnlichen, zweifach positiv geladenen Metallkomplex. In einer Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Stefan Weber wiesen die Forscher bei der hochreaktiven Gallium-Komplexverbindung so genannten Paramagnetismus nach, also ungepaarte Elektronen. „Für uns ist das ein klarer Befund, dass das Gallium-Atom an der elektronischen Struktur der eingesetzten Liganden nicht unschuldig ist“, sagt Krossing. Die Wissenschaftler sind überzeugt, dass dieser Ansatz eine neue und allgemein anwendbare Route gerade zu den seltenen positiv geladenen Clusterverbindungen aufzeigt, sofern Metallatome und Liganden passend aufeinander abgestimmt werden.

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    Manfred Jung hat an der Universität Marburg Pharmazie studiert (Approbation 1990) und wurde dort in pharmazeutischer Chemie bei W. Hanefeld promoviert. Nach einem Postdoktorat an der Universität Ottawa, Kanada begann er 1994 am Institut für Pharmazeutische Chemie der Universität Münster mit ... mehr