Die Guten ins Töpfchen – molekulare Sortiermaschinen
Supramolekulare Chemie
Wie lassen sich aromatische Verbindungen effizient von sogenannten aliphatischen Verbindungen trennen, ohne auf energieintensive Prozesse zurückzugreifen? Chemikerinnen und Chemiker der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) stellen in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie ein innovatives, molekulares Sieb aus teilfluorierten Makrozyklen vor, das die Verbindungen selektiv trennen kann.
Übersichtsgraphik zeigt schematisch die Bauteile, aus denen das rechteckige Squareimin (violett-blau) aufgebaut wird. Die Squareimine orientieren sich im Festkörper (Mitte) so, dass sich die Hohlräume verbinden und ein Porennetzwerk (grün) entsteht.
HHU / Tobias Pausch
Dreidimensionale Struktur des Porennetzwerks und Position der aromatischen Benzolringe (blau) im Kristall, Zurückweisung von Cyclohexen (orange) und Cyclohexan (grau).
HHU / Tobias Pausch
Aromatische Verbindungen – Stoffe mit flachen, ringförmigen Strukturen aus Kohlenstoffatomen – spielen in der organischen Chemie eine wichtige Rolle. Sie dienen unter anderem als Lösungsmittel, als Ausgangsmaterialien für viele Kunststoffe und werden auch in Kraftstoffen eingesetzt. Ein bekanntes Beispiel ist Benzol (C6H6).
Ihre aliphatischen Gegenstücke, wie beispielsweise Cyclohexan (C6H12), sind ebenfalls ringförmig. Im Gegensatz zu Aromaten sind sie jedoch flexibel und nehmen daher eine gewölbte, dreidimensionale Struktur an. Aromaten von anderen organischen Verbindungen – insbesondere aliphatischen Kohlenwasserstoffen – zu trennen, stellt eine große Herausforderung dar, die aber häufig notwendig ist. Beispielsweise wird Cyclohexan durch Hydrierung von Benzol hergestellt, im Ergebnis liegt eine Mischung beider Stoffe vor. Bisherige Trennverfahren brauchen viel Energie, da die physikalischen Eigenschaften wie Siedepunkte und Dampfdruck der Verbindungen nahezu identisch sind.
Das Forschungsteam um den HHU-Chemiker Dr. Bernd M. Schmidt (Nachwuchsgruppe Funktionale Supramolekulare Systeme) hat zusammen mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Christoph Janiak (Lehrstuhl für nanoporöse und nanoskalierte Materialien) eine „supramolekulare Sortiermaschine“ entwickelt, die die Trennung auf andere Weise erledigen kann. Sie besteht aus elektronenarmen, fluorierten Makrozyklen mit rechteckiger Struktur, genannt „Squareimine“. Sie adsorbieren bevorzugt aromatische Moleküle.
Schmidt: „Bei den Squareimine lagern sich kleine, dreidimensionale Moleküle im Festkörper so zusammen, dass durch das Verbinden der Hohlräume ein Porennetzwerk entsteht.“ Am Ende steht ein Geflecht aus einer Unmenge von parallel nebeneinander angeordneten Röhren, welche jeweils nur einen Durchmesser von weniger als einem Nanometer aufweisen. „In diese poröse, einem Schwamm nicht unähnliche Struktur können kleine Moleküle wie Gase oder flüchtige organische Verbindungen aufgenommen werden“, so Schmidt weiter.
Durch die gezielte, gesteuerte Vernetzung der Strukturen optimierten die Forschenden die Adsorptionsfähigkeit ihres Materials. Tobias Pausch, Doktorand in der Arbeitsgruppe von Dr. Schmidt und Erstautor der nun in der „Angewandte Chemie“ erschienenen Studie: „Das Squareimin NDI2F42 ist bemerkenswert selektiv für aromatische Verbindungen wie Benzol und Toluol, während es deren aliphatischen Gegenstücke ignoriert.“ Die Chemiker maßen schon in ersten Tests eine hohe Selektivität von bis zu 97:3 für Benzol gegenüber Cyclohexan und 93:7 für Toluol gegenüber Methylcyclohexan. „In dem kristallinen supramolekularen Schwamm werden somit nahezu ausschließlich die aromatischen Verbindungen aufgenommen, während die aliphatischen zurückbleiben“, fasst Pausch zusammen.
Schmidt umreißt weiterführende Aspekte: „Die entdeckten Squareimine zeigen ein großes Potenzial zur molekularen Trennung. Dies liegt nicht nur an ihrer vorteilhaften Struktur, sondern auch an ihrer Diversität, so dass gezielt Sortierer für ganz bestimmte Verbindungen hergestellt werden können. Darüber hinaus sind sie leicht zu produzieren, was sie zu einer vielversprechenden Plattform für neue, innovative und leichte Adsorbermaterialien macht.“
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