Aufgereihte Käfige: Persilastaffane als Silizium-Gerüste mit delokalisierten sigma-Elektronen

11.01.2012 - Japan

Persilastaffane – so lautet der Name einer neuen ungewöhnlichen Verbindungsklasse, die japanische Forscher um Takeaki Iwamoto von der Tohoku Universität jetzt in der Zeitschrift Angewandte Chemie vorstellen. Es handelt sich dabei um stäbchenförmige Moleküle, deren Herzstück ein oder mehrere winzige „Käfige“ aus Siliziumatomen bilden. Noch ungewöhnlicher als Name und Aufbau dieser Stoffe sind die Eigenschaften ihrer Elektronen, die sie zu interessanten Kandidaten als Baustein neuer Materialien für elektronische Anwendungen machen.

Wo kommt der lustig klingende Name Persilastaffan her? Die Vorsilbe „Persila“ bezeichnet eine organische Verbindung, in der alle („per“) Kohlenstoffatome durch Siliziumatome („sila“) ausgetauscht sind. Ein Staffan ist eine spezielle Anordnung aus fünf Kohlenstoffatomen: Zwei „Brückenköpfe“ sind über drei „Brücken“, in deren Mitte je ein Kohlenstoffatom sitzt, miteinander verbunden. Räumlich gesehen ergibt sich eine käfigartige Struktur. Alternativ kann man den Aufbau des Käfigs auch als gewellten Ring aus vier Kohlenstoffatomen beschreiben, bei dem zwei gegenüberliegende Ecken zusätzlich über ein weiteres Kohlenstoffatom verbrückt sind. Ein Persilastaffan ist eine Verbindung, die einen solchen Käfig aus Siliziumatomen enthält.

Das japanische Team entwickelte einen Syntheseweg für Moleküle, die einen, zwei oder drei solcher Käfige enthalten. Was ist an diesen stäbchenförmigen Molekülen so spannend? Bisher gibt es nur wenige Studien über lineare Ketten aus siliziumhaltigen Ringsystemen, aber theoretische Betrachtungen ergaben, dass signifikante Wechselwirkungen zwischen den Käfigen bestehen sollen. So sollen die Bindungselektronen (σ-Elektronen) aus den Silizium-Silizium-Bindungen nicht wie bei chemischen Bindungen üblich zwischen den beiden Bindungspartner lokalisiert, sondern über das gesamte dreidimensionale Gerüst aus Siliziumatomen frei beweglich (delokalisiert) sein wie in Silizium-Festkörpern.

Diese Eigenschaft ist so interessant, weil Siliziumverbindungen mit delokalisierten σ-Elektronen eine Lichtabsorption im UV-Bereich haben, lichtsensitiv oder leitfähig sein oder unter Licht leitfähig werden können. Iwamoto und seine Kollegen haben die winzigen Stäbchen mit spektroskopischen Methoden untersucht. Dabei konnten sie in der Tat eine beträchtliche Delokalisation der σ-Elektronen über die Silizium-Käfige bestätigen. Iwamoto: „Persilastaffane sind faszinierende stäbchenförmige Silizium-Moleküle, die als lineare Verbindungsstücke für neuartige siliziumbasierte genau definierte Materialien dienen könnten, beispielsweise leitfähige molekulare Drähte.“