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- Neuer DFG-Sonderforschungsbereich zum Thema
"Redoxaktive Metallkomplexe"
Reaktivitätssteuerung durch molekulare Architekturen
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- Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
hat an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
(FAU) einen neuen Sonderforschungsbereich bewilligt, in dem Wissenschaftler
aus Chemie und Physik daran arbeiten werden, elementare Reaktionen
nachzuvollziehen und deren Ablauf und Ergebnisse zu beeinflussen.
Der SFB 583 mit dem Titel "Redoxaktive Metallkomplexe -
Reaktivitätssteuerung durch molekulare Architekturen"
wird zum 1. Juli 2001 seine Arbeit aufnehmen. Für das laufende
Haushaltsjahr stehen etwas mehr als 2,5 Millionen Mark an Fördergeldern
zur Verfügung. Insgesamt ist für die erste dreijährige
Förderperiode ein Betrag von über 7,5 Millionen Mark
vorgesehen. Als Sprecher des SFB 583 amtiert Prof. Dr. Dieter
Sellmann (Lehrstuhl für Anorganische und Allgemeine Chemie).
Stellvertreter des Sprechers ist Prof. Dr. Dr. h.c. Rudi van
Eldik (Lehrstuhl für Anorganische und Analytische Chemie).
Ein SFB-Sekretariat wird im Institut für Anorganische Chemie
eingerichtet.
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- An der Naturwissenschaftlichen Fakultät
II beteiligen sich die Lehrstühle für Anorganische
Chemie, Organische Chemie, Physikalische Chemie I und Theoretische
Chemie. Die Naturwissenschaftliche Fakultät I ist mit dem
Lehrstuhl für Experimentalphysik vertreten. Viele der insgesamt
16 Arbeitsgruppen, die im neuen SFB zusammenarbeiten werden,
kooperieren bereits seit längerer Zeit, beispielsweise im
Graduiertenkolleg "Homogener und heterogener Elektronentransfer",
das eine ähnliche, wenn auch eingeschränkte Thematik
verfolgt. Die einzelnen Forschungsvorhaben der 16 Teilprojekte
im SFB 583 sind in drei Projektbereiche gegliedert:
(A) Molekulare Architekturen für die Molekülaktivierung,
(B) Molekulare Architekturen für den Ladungstransfer und
(C) Physikalische und Theoretische Quantifizierung der Funktionalität.
Bei der Molekülaktivierung sollen vorrangig Moleküle
wie Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenmonoxid, Stickstoffmonoxid
und Wasser untersucht werden.
- Zur Durchführung einzelner Forschungsvorhaben
hat die DFG dem SFB 583 neben 29 Wissenschaftlerstellen zwei
wissenschaftliche Großgeräte genehmigt: ein neues
CCD-Einkristalldiffraktometer und ein neues FT-Raman-Spektrometer
mit Mikroskop im Gesamtwert von 850.000 Mark. Beide Großgeräte
erlauben beispielsweise, die Architektur von Metallkomplex-Katalysatoren
und deren Elektronenstruktur schneller aufzuklären.
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- Aktive Zentren von natürlichen Katalysatoren
- Redoxreaktionen sind ein universeller Typ
chemischer Reaktionen. Auch das menschliche Leben von der Zeugung
bis zum Tod läßt sich als eine ununterbrochene Abfolge
von Redoxprozessen auf molekularer Ebene begreifen. Atmen, Denken,
Wachsen und Vergehen, alles ist mit Redoxreaktionen verknüpft.
Dabei werden Elektronen übertragen, d.h., die einen Moleküle
werden reduziert, die anderen gleichzeitig oxidiert.
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- Aktives Zentrum der meisten dieser Reaktionen
sind Metallverbindungen mit einem komplexen räumlichen und
funktionellen Aufbau. Für die natürlichen Kreisläufe
der Elemente und die Aufrechterhaltung aller Lebensvorgänge
sind solche "redoxaktiven" Metallkomplexe als Bestandteil
von Enzymen unverzichtbar. Beispiel dafür sind die biologische
Stickstoff-Fixierung und die Photosynthese. Diese beiden Naturprozesse
sind die Grundlage allen Lebens auf der Erde. Sie werden durch
Enzyme katalysiert, deren aktive Zentren Metallkomplexe sind.
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- Enzyme benötigen große Proteinmoleküle,
um die redoxaktiven Metallkomplexe zu umhüllen und wirksam
werden zu lassen. Chemiker und Chemikerinnen können die
Reaktivität durch die Wahl geeigneter Liganden - kleiner
Moleküle oder Ionen - steuern. Durch den Aufbau besonderer
Strukturen können sie Komplexe schöpferisch entwickeln,
die ihre katalytische Wirksamkeit auch ohne Proteinhülle
entfalten.
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- Solche Katalysatoren könnten es ermöglichen,
Ammoniak, das für den Aufbau von Eiweißstrukturen
benötigt wird, aus reaktionsträgem Luftstickstoff zu
erzeugen, ohne dass außergewöhnliche Druckverhältnisse
oder Temperaturen nötig sind. Bisher ist es ebensowenig
gelungen, diese Reaktion ohne biologische Enzyme im Reagenzglas
ablaufen zu lassen, wie Wasser mit Hilfe von Sonnenlicht in elementaren
Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten und für die Synthese
von Kohlehydraten aus Kohlendioxid zu nutzen. Im Sonderforschungsbereich
583 sollen die Baupläne der Natur nicht nachgeahmt werden;
stattdessen wird versucht, neue Strukturen zu finden, die denselben
Zweck erfüllen.
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- Neue molekulare Architekturen
- Die gezielte Veränderung der molekularen
Architekturen soll detailliert Einblick in die Struktur-Funktions-Beziehungen
der redoxaktiven Metallkomplexe liefern. Erstes Ziel des neuen
SFB 583 wird das Auffinden von Katalysator-Architekturen sein,
die kleine Moleküle koordinieren und aktivieren können
sowie den Transfer von Ladung ermöglichen. Chemische Reaktivitätsstudien,
kinetisch-mechanistische Untersuchungen und physikalische Messungen
sollen quantitativ den Grad der Molekülaktivierung und des
Ladungstransfers erfassen. Quantenmechanische Berechnungen gestatten
es, die aus diesen Studien abgeleiteten Schlüsse zu überprüfen
und bessere molekulare Architekturen der katalytisch aktiven
Metallkomplexe zu entwickeln.
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- Ein solches Vorgehen erfordert die intensive
Zusammenarbeit zwischen anorganischen und organischen Synthesechemikern,
physikochemischen, physikalischen und theoretischen Arbeitsgruppen.
Eine große Zahl Erlanger Arbeitsgruppen in der Chemie erforscht
schwerpunktmäßig redoxaktive Metallkomplexe und hat
bereits umfangreiche Vorarbeiten über die Aktivierung kleiner
Moleküle sowie den Ladungstransfer geleistet. Diese Aktivitäten
werden jetzt in dem neuen SFB 707 gebündelt.
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- Als Vision existiert dabei ein Szenario für
die Lösung von Problemen, die über chemische Fragestellungen
weit hinausreichen. Die gezielte Steuerung der Reaktionen von
Molekülen wie Stickstoff, Wasserstoff, Wasser, Methan, Sauerstoff
oder Kohlendioxid würde nicht nur elementare Bedürfnisse
der Menschheit wie Energie, Nahrung und Kleidung dauerhaft stillen,
sondern den Idealfall sogenannten "nachhaltigen Handelns"
darstellen, das kommende Generationen nicht mit schwer handhabbaren
Hinterlassenschaften belastet.
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- Kontakt:
Prof. Dr. Dieter Sellmann, Lehrstuhl für Anorganische und
Allgemeine Chemie
Egerlandstraße 1, 91058 Erlangen
Tel.: 09131/85 -27360, Fax: 09131/85 -27367
E-Mail: sellmann@anorganik.chemie.uni-erlangen.de
Mediendienst FORSCHUNG Nr. 600 vom 15.06.2001
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