Herr der Molekül-Ringe: Eine innovative Abkürzung zu hochleistungsfähigen organischen Materialien
Ein Paradigmenwechsel für fortschrittliche Technologien
Wissenschafter*innen am Institut für Organische Chemie der Universität Wien haben einen innovativen Ansatz zur Synthese von Azaparacyclophanen (APCs) vorgestellt, einer Klasse hochentwickelter ringförmiger Molekülstrukturen mit großem Potenzial für die Materialwissenschaft. Durch ihre innovative Methode der Katalysator-Transfer-Makrozyklisierung (CTM), die aktuell im Fachmagazin JACS Au veröffentlicht wurde, wird die Herstellung dieser komplexen Makrozyklen optimiert. Das ebnet den Weg für bedeutende technologische Verbesserungen, etwa für Displays, flexible Solarzellen und Transistoren.
APCs sind kleine, perfekt geformte Molekülringe, die aus sich wiederholenden Einheiten, die in einer Endlosschleife verbunden sind, bestehen. Diese makrozyklischen organischen Verbindungen haben eine einzigartige Struktur, die sie zu wertvollen Grundbausteinen für innovative Technologien wie optoelektronische Anwendungen – wie etwa Displays – macht. Jahrelang war die Synthese von APCs ein langwieriger Prozess, der mehrere Schritte unter schwierigen Bedingungen erforderte. Ein Forschungsteam am Institut für Organische Chemie der Universität Wien hat sich der Herausforderung gestellt, diesen Prozess zu vereinfachen – mit bemerkenswertem Erfolg.
Eine Abkürzung zu komplexen molekularen Ringen
Die neu entwickelte CTM-Methode nutzt die "Pd-katalysierte Buchwald-Hartwig-Kreuzkupplungsreaktion", die zur Bildung von Kohlenstoff-Stickstoff-Bindungen beiträgt, um π-konjugierte zyklische Strukturen zu schaffen. "π-konjugiert" bezieht sich auf ein System aus abwechselnden Einfach- und Doppelbindungen, das die freie Bewegung von Elektronen ermöglicht und die elektronischen Eigenschaften des Materials verbessert. Die CTM-Methode bietet einen direkten und effizienten Weg, der die Herstellung von APCs erheblich erleichtert. "Mit diesem Ansatz können wir strukturell präzise APCs in kurzer Zeit, unter milden Bedingungen und mit hoher Ausbeute herstellen, was sie sowohl für die Forschung als auch für industrielle Anwendungen viel zugänglicher macht", sagt Erstautor Josue Ayuso-Carrillo von der Universität Wien. Die Methode ist flexibel und erlaubt die Herstellung von APCs mit unterschiedlichen Ringgrößen (typischerweise 4-9 Mitglieder) und funktionellen Gruppen. Außerdem kann sie unter typischen Konzentrationsbedingungen (35-350 mM) durchgeführt werden, was sie im Gegensatz zu etablierten Makrozyklisierungsprotokollen, die ein stark verdünntes Medium erfordern, skalierbar und reproduzierbar macht.
Ein Paradigmenwechsel für fortschrittliche Technologien
Die mit dieser Methode hergestellten APCs haben großes Potenzial für Materialien wie organische Halbleiter und Solartechnologie. Dank ihrer π-konjugierten Strukturen, die eine effiziente Elektronenbewegung ermöglichen, können APCs in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden. In der organischen Elektronik können sie die Effizienz und Flexibilität von Displays, Solarzellen und Transistoren verbessern. Organische Elektronik enthält – wie der Name schon sagt – organisches Material, das gilt zum Beispiel für flexible Solarzellen. Im Vergleich zu typischen flachen Solarzellenpaneelen aus energieintensiv verarbeitetem Silizium sind organische Solarzellen leicht und können netzunabhängig auf unkonventionellen Flächen eingesetzt werden.
Ihre Eigenschaften verbessern auch Lichtsammelsysteme, was zu besseren Lösungen für die Umwandlung und Speicherung von Sonnenenergie führt. In der supramolekularen Chemie können APCs auch zur Herstellung fortschrittlicher molekularer Erkennungssysteme, Sensoren und Katalysatoren verwendet werden. "Die CTM-Methode ist nicht nur ein Durchbruch in der Synthese, sondern auch ein Sprungbrett für die großtechnische Herstellung maßgeschneiderter Materialien", erklärt Davide Bonifazi von der Universität Wien, Hauptautor der Studie. "Indem wir unnötige Komplexität beseitigen, öffnen wir die Tür zu neuen funktionellen Anwendungen, die zuvor unerreichbar waren. Und, was besonders wichtig ist, wir demonstrieren die Reproduzierbarkeit unserer Methode, indem wir eine Schritt-für-Schritt-Anleitung für Forscher*innen in verwandten Bereichen bereitstellen."
Vom Labor in die Industrie
Die CTM-Methode vereinfacht die Synthese von organischen Hochleistungskomponenten und macht sie für die industrielle Nutzung praktikabler. Ihre Skalierbarkeit sorgt dafür, dass der Übergang von der Entdeckung im Labor zur Anwendung in der Praxis reibungsloser verläuft als je zuvor. Die Studie ist ein entscheidender Schritt auf dem Weg zur Integration fortschrittlicher chemischer Synthese in die Alltagstechnologie. Da die Industrie auf nachhaltige, leistungsstarke Materialien drängt, werden Innovationen wie diese dazu beitragen, die Zukunft der Materialwissenschaft zu gestalten.
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