Leitern im Nanomaßstab
Vier und sechs "Sprossen" haben die molekularen Leitern, die Forscher von der University of Iowa, USA, kürzlich synthetisiert haben. Solche Ladderane (engl. ladder = Leiter) sind interessante Bausteine für die moderne Optoelektronik und eine große Herausforderung, denn sie lassen sich alles andere als einfach herstellen.
Leonard R. MacGillivray und sein Team wählten die Strategie, Leitern ausgehend von den einzelnen "Holmen" herzustellen. Theoretisch ist der pfiffige Ansatz kein Problem: Als spätere Holme der Leiter dienen Kohlenwasserstoffketten, bei denen die Kohlenstoffatome alternierend über Einfach- und Doppelbindungen verknüpft sind. Durch Bestrahlung mit UV-Licht können immer zwei der Ketten miteinander zur Reaktion gebracht werden, so die Idee. Die Lichtenergie sorgt dafür, dass alle Doppelbindungen "aufgehen" und die frei werdenden "Bindungsärmchen" nach den gegenüber liegenden Kohlenstoffatomen des anderen Holms "greifen". Diese neuen Bindungen sind die "Sprossen" der Leiter. Chemisch gesehen besteht eine Leiter aus verknüpften Cyclobutan-Einheiten - planaren viergliedrigen Kohlenstoff-Ringen.
In der Praxis scheiterte die Synthese bisher daran, dass die Kohlenwasserstoffketten sich in der flüssigen Phase nicht in die richtige räumliche Anordnung zueinander bringen und festhalten lassen - Voraussetzung für eine Reaktion zur Leiter. Als Ausweg bot sich eine Reaktion in der festen Phase an. Aber auch hier galt es, die Holme paarweise streng parallel zu fixieren. Um dies zu erreichen, knüpften die amerikanischen Chemiker an jedes Holmende ein Pyridin-Molekül (ein aromatischer Ring aus fünf Kohlenstoff- und einem Stickstoffatom). Dann vermischten sie die Holme mit Resorcin, einem aromatischen Kohlenstoff-Sechsring mit zwei OH-Gruppen, und kristallisierten die Mischung. Dabei bildet jede OH-Gruppe eine Wasserstoffbrückenbindung zu einem Pyridin-Stickstoff aus. Auf diese Weise werden je zwei Holme an beiden Enden durch je ein Resorcin-Molekül zusammengeklammert. Im Kristall kommt das Holmpaar genau parallel zu liegen. Werden die Kristalle mit UV-Licht bestrahlt, wandeln sich wie geplant die gegenüberliegenden Doppelbindungen in Sprossen um. Benachbarte Holmpaare liegen so versetzt im Kristall, dass sie keine Sprossen untereinander knüpfen können. Mit Lösungsmitteln können die Leitern anschließend aus dem Resorcin-Kristall herausgelöst werden.
So gelang es dem MacGillivray-Team, [3]- und [5]Ladderane herzustellen, so die korrekte chemische Bezeichnung für Leitern, die aus drei bzw. fünf Cyclobutan-Einheiten (und damit vier bzw. sechs Sprossen) bestehen. Längere Nanoleitern sind in Arbeit.
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