Organische Chemie

Fullerene - Fußbälle in der Organischen Chemie


Die ästhetische Struktur der kugelsymmetrischen Fullerene, erst im letzten Jahrzehnt entdeckte Kohlenstoffverbindungen, faszinierte sowohl den synthetisch wirkenden Chemiker als auch theoretisch arbeitende Naturwissenschaftler und gab Anlaß zur Darstellung und Untersuchung neuer Abkömmlinge dieser Gattung von Molekülen. Am Lehrstuhl für Organische Chemie der Naturwissenschaftlichen Fakultät II der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg werden seit Herbst 1995 unter der Leitung von Prof. Dr. Andreas Hirsch Strukturderivate von Fullerenen dargestellt und ihre chemischen, spektroskopischen, physikalischen und biologischen Eigenschaften untersucht.

Vor etwas mehr als zehn Jahren entdeckten Harold Kroto, Richard E. Smalley und Robert F. Curl (Chemienobelpreis 1996) und Mitarbeiter mit dem C60-Fulleren die erste einer Reihe von nur aus Kohlenstoffatomen bestehenden Verbindungen, die neben den klassischen Kohlenstoff-Formen Diamant und Graphit eine dritte Form des Kohlenstoffs darstellen. Sie sind aus regelmäßigen Kohlenstoff-Fünfecken und -Sechsecken aufgebaut und wurden nach dem amerikanischen Architekten R. Buckminster Fuller benannt, da sie ähnlichen Aufbauprinzipien unterliegen wie dessen geodätische Kuppelbauten.

Das aus 12 Fünf- und 20 Sechsecken aufgebaute C60-Fulleren (Buckminsterfulleren) entspricht im "molekularen Design" dem heute üblichen Fußball und gab damit auch der ganzen Verbindungsklasse die Kurzbezeichnung Buckyballs. Die Fullerenmoleküle faszinierten aufgrund ihrer Symmetrie sowohl Chemiker als auch Physiker und bewirkten binnen kurzer Zeit eine Flut wissenschaftlicher Publikationen. Die Besonderheit der sphärischen Hohlwelten dieser Moleküle eröffnete den Zugang zu einer "runden Chemie" und zu vielfältigen chemischen Manipulationsmöglichkeiten sowohl an der Oberfläche der Fullerene, an ihrer Außenseite als auch in der Innensphäre des molekularen Fußballs. Sehr bald wurden eine Vielzahl interessanter Eigenschaften wie z.B. thermische Stabilität, Halbleitereigenschaften, Elektroneneinfangvermögen, Supraleitereigenschaften u.a. der unterschiedlichsten Fullerenderivate entdeckt und eröffneten neue Aspekte der Anwendung und Verwendung von Fullerenen als mögliche neue Materialien und Werkstoffe.

Der Durchbruch für die organische Chemie gelang mit der Herstellung größerer Mengen von Fullerenen durch Wolfgang Krätschmer, Donald Huffman und Mitarbeiter, die nun auch eine Synthesechemie dieser Verbindungen zuließ. Durch Verdampfung von Graphit im elektrischen Lichtbogen gelingt die Darstellung von Fullerenen im Labormaßstab.

Nach mehrjährigem Aufenthalt am Institute for Polymers and Organic Solids in Santa Barbara /Kalifornien, der Habilitation 1994 in Tübingen und einer Professur in Karlsruhe übernahm Prof. Dr. Andreas Hirsch zu Beginn des Wintersemesters 1995 den Lehrstuhl II für Organische Chemie der Erlanger Universität (Nachfolge Prof. Hans Jürgen Bestmann). Damit etablierte er einen Arbeitskreis von inzwischen über 15 Mitarbeitern, der sich vor allem mit der Synthese von Fullerenen und mit theoretischen Untersuchungen zur Struktur befaßt. Diese Arbeiten werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft, dem Bundesministerium für Bildung und Wissenschaft und der Hoechst AG gefördert.

Die Chemie an der Fulleren-Oberfläche wird durch die Synthese von Heterofullerenen repräsentiert, bei denen ein oder zwei Kohlenstoffatome durch Fremdatome wie Stickstoff ersetzt sind. Mit einer Reihe von Folgereaktionen gelangt man so zu dimeren Formen der Heterofullerene. Für eine innerhalb der Kugelfläche gelagerte "endohedrale Chemie" ist die Einführung einzelner Atome oder kleiner Moleküle in die Fullerenbälle angestrebt. Für eine Insertion in nach Maß geschneiderte Fußbälle werden im Erlanger Institut zur Zeit Fullerene mit molekularen "Löchern" hergestellt, die nach geglückter Einführung wieder geschlossen werden sollen.

Ein zentrales Thema der Arbeitsgruppe ist die Addition an Fullerene, insbesondere deren Cyclopropanierung. Diese Reaktion führt zu Derivaten mit bis zu sechs Ankerpunkten, an die verschiedenste Synthesebausteine angedockt werden können. Zur Zeit werden Fettsäureketten unterschiedlicher Länge am C60 angefügt und in Zusammenarbeit mit Prof. Erich Sackmann (Max-Planck-Institut, Garching) und Prof. Thomas Bayerl (Uni Würzburg) der Einfluß dieser lipidähnlichen Körper auf natürliche und künstliche Membranen untersucht.

Durch Anbringung mehrerer Verzweigungsstellen gelingt die Darstellung verästelter Baumstrukturen. Zwischen den einzelnen Ästen entstehen Hohlräume definierter Größe und Form, die die Einlagerung von Biomolekülen gestatten sollte. Damit können Wirkstoff-Rezeptor-Wechselwirkungen simuliert und die Affinitiät solcher Moleküle studiert werden. Im Erlanger Institut werden Porphyrinverbindungen, die die Basis von Blut- und Pflanzenfarbstoffen darstellen, als zukünftige Biomolekül-Modelle synthetisiert und an verzweigte Fullerene angeknüpft. Weinsäure läßt sich als Verzweigungselement mit Aminosäuren verknüpfen. Eine wiederholte Kupplung dieser Bausteine und Anknüpfung an ein Fulleren ermöglicht den Zugang zu verzweigten Verbindungen, die ähnlich aufgebaut sind wie ionophore Antibiotika und Peptidfunktionen besitzen können.

Alle Synthesen werden durch Kraftfeld- und semiempirische Rechnungen unterstützt bzw. die dreidimensionale Geometrie der Syntheseprodukte berechnet. Ausgewählte Rechenverfahren für große verzweigte Systeme mit mehr als 100 Molekülen werden getestet und vergleichend ihr Einsatzpotential für die Fullerenchemie gewertet. Elektrochemische Untersuchungen und Reduktions-Oxidations-Zyklen in Form cyclischer Voltammetrie werden in Zusammenarbeit mit Prof. Ulrich Zenneck (Anorganische Chemie, FAU) durchgeführt, photophysikochemische Untersuchungen werden gemeinsam mit der Arbeitsgruppe Prof. Siegfried Schneider (Physikalische Chemie, FAU) ausgearbeitet und getestet.

Kontakt:
Prof. Dr. Andreas Hirsch, Institut für Organische Chemie, Henkestraße 42,
91054 Erlangen, Tel.: 09131/ 85-22546, -22537, Fax: 09131/ 85-26864
E-mail: vostrows@organik.uni-erlangen.de
Mediendienst Forschung Nr . 484 vom 3.2.1997
Sachgebiet Öffentlichkeitsarbeit (Pressestelle)
Stand 4.2.1997
pressestelle@zuv.uni-erlangen.de