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Forscher fangen neues Molekül ein

Forschung Marburg: Anorganische Chemie Forscher fangen neues Molekül ein

Die Marburger Chemiker Professorin Stefanie Dehnen und Dr. Günther Thiele haben das ungewöhnliche Bleimonoselenid-Molekül in einer neuen Verbindung eingefangen.

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Chemie-Professorin Stefanie Dehnen.

Quelle: Manfred Hitzeroth

Marburg. Das Forschungsergebnis der Marburger Chemiker war für die Verantwortlichen der Zeitschrift „Angewandte Chemie“ so spannend, dass die dazugehörige Grafik es auf die Rückseite der zweiten September-Aufgabe schaffte. „Die Ergebnisse der Arbeitsgruppe haben das Potenzial, in Lehrbücher der Anorganischen Chemie einzugehen“, urteilte ein Gutachter.

Das Molekül Bleimonoselenid ist ein Verwandter des Kohlenstoffmonoxids (kurz „Kohlenmonoxid“). Denn in beiden chemischen Verbindungen werden jeweils ein Atom aus der Kohlenstoffgruppe und eines aus der Sauerstoffgruppe kombiniert. In diesem Fall geht es um Atome der Elemente Blei und Selen.

Bisher war Bleimselenid nur als Feststoffverbindung, und zwar in Form des Minerals Clausthalit bekannt, eines grauen oder schwarzen Pulvers, das Halbleitereigenschaft aufweist. Es kann synthetisch hergestellt werden durch eine mehrstufige Reaktion von Selen mit Salpetersäure, Ammoniak und Bleioxid. Marburger Chemikern gelang es jetzt, nach aufwändigen Versuchen, das Bleimonoselenid als Molekül einzufangen.

Kunstgriff verhilft zu Ergebnissen

Ausgangspunkt der Forschungsarbeiten sind bei den Experimenten in der Arbeitsgruppe Dehnen üblicherweise jeweils Kombinationen von zwei Hauptgruppenelementen aus dem rund 100 Elemente umfassenden Periodensystem, die miteinander reagieren.

Möglich war das Ergebnis wie in vielen anderen Fällen auch nur mit einem Kunstgriff: Mithilfe einer komplexen chemischen Clusterverbindung wurde das Bleiselenid in Molekülform „eingefangen“. Es dockte als Brücke an ein Clustermolekül an, das aus drei Atomen des Übergangsmetalls Rhodium und zwei Atomen des Hauptgruppenelements Selen besteht.

Ausgangspunkt war in diesem Fall eine künstlich hergestellte Verbindung, in der zwei Blei­atome und drei Selenatome das komplexe Anion eines Salzes bilden. Abgefangen wurde nun bei dieser chemischen Reaktion im Labor laut Stefanie Dehnen ein unter normalen Bedingungen nicht existentes „Zwischenprodukt“, das ganz besondere Eigenschaften hat.

„Generell ist es ein Ziel der Forschung in der Anorganischen Chemie, mehrere unterschiedliche Elemente in einem Molekül zu kombinieren, um so die Eigenschaften der betreffenden Elemente in vielfältiger Form miteinander zu vereinen“, berichtet die Marburger Chemie-Professorin Stefanie Dehnen.

Zusammenarbeit mit Karlsruher Quantenchemikern

Dabei wird meistens ein Trick angewendet: man lässt ein Molekül aus zwei Elementen eine Verbindung mit einem dritten Element eingehen. Das kann eine Verbindung sein, die Atome der metallischen Elemente Kobalt, Eisen oder Iridium enthält. Die Metallatome fungieren dabei als eine Art Angreifer, die das andere Start-Molekül zerstören und verändern. In diesem Fall war es nach einer Vielzahl von Experimenten im Labor nun die Kombination mit Rhodium, die das besondere Ergebnis hervorbrachte.

„Das Bleimonoselenid-Molekül selbst ist sehr instabil“, beschreibt Dehnen. Ihrem Doktoranden Günther Thiele gelang es jedoch, das ungewöhnliche Molekül durch Einfangen mithilfe der Rhodiumverbindung zu stabilisieren. Um das auch mit physikalischen Zahlenwerten nachweisen zu können, wurde eine Zusammenarbeit mit Quantenchemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) bemüht.

Aus dem Ergebnis dieser Studie folgern die Wissenschaftler, das die ganze Verbindung aus Bleiatom, Selenatomen und dem Rhodium-Komplex nicht besonders stabil ist. Dass man sie aber dennoch im Labor herstellen und untersuchen konnte, liegt nun daran, dass das neue Molekül andere Möglichkeiten bei der Ausbildung der chemischen Bindung hat.

Kohlenmonoxid bereits bestens erforscht

„Es bindet besser und fester an die Rhodiumatome als das Kohlenmonoxid“, beschreibt die Marburger Chemikerin, was in der neuen Molekülform den Vorteil des Bleimonoselenids gegenüber Kohlenmonoxid ausmacht. Das Bleiatom sei größer als das Kohlenstoffatom und habe in Kombination mit dem Rhodium-Cluster eine deutlich größere Passgenauigkeit.

Im Unterschied zu dem hier erstmals beschriebenen Bleimonoselenid ist Kohlenmonoxid seit langer Zeit bestens erforscht und vielseitig verwendbar. Das Gas, das unter anderem bei der unvollständigen Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Stoffen entsteht, ist farblos, geruchlos, geschmacklos, aber extrem giftig. Es ist nicht nur ein starkes Gift für Organismen, sondern kann auch metallische Katalysatoren vergiften, was in der chemischen Industrie bedeutsam ist.

Auf der anderen Seite ist Kohlenmonoxid aber ein wichtiger Synthesebaustein in der Organischen Chemie. Zudem haben Kohlenmonoxid und seine Verbindungen viele weitere Anwendungsbezüge. So wird der Stoff traditionell zur Reinigung von Metallen wie Nickel verwendet.

Molekülvariante nicht industriell verwertbar

Der Feststoff Bleiselenid hat mit der neuen, molekularen Form nur gemeinsam, dass auch hier Blei- und Selenatome im Verhältnis eins zu eins auftreten,aber eben jeweils unzählbar viele in einem Kristallgitter vereint. Bleiselenid wird bisher unter anderem als Halbleiterdetektor in Wärmebildkameras oder als Material für Laserdioden verwendet.

Die spezielle neue, nun in Marburg entdeckte Molekülvariante des chemischen Stoffes ist nach den bisherigen Erkenntnissen nicht industriell verwertbar, macht Dehnen deutlich. Sie will jedoch nicht ausschließen, dass es mit einer geringen Wahrscheinlichkeit als Katalysator verwendet werden könnte.

In dem Labor der von ihr geleiteten Arbeitsgruppe am Fachbereich Chemie geht es aber nicht nur um Grundlagenforschung, sondern teilweise auch um Industrieforschung. „Wir erforschen beispielsweise auch einen Stoff, der ein gutes Leuchtmittel für Laserprojektoren sein könnte“, berichtet Stefanie Dehnen. Wenn sich dieser Weg als erfolgreich erweisen würde, dann könnte das Ergebnis eventuell auch industriell ausgewertet werden.

von Manfred Hitzeroth

 
 
Zur Person

Professorin Stefanie Dehnen (46) wurde in Gelnhausen geboren. Sie studierte von 1988 bis 1993 Chemie an der Universität Karlsruhe (heute: Karlsruher Institut für Technologie, KIT), wo sie 1996 auch ihren Doktortitel erhielt. Nach einem Postdoktorat in der Theoretischen Chemie in Karlsruhe war sie von 1998 bis 2004 dort wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Anorganische Chemie.

Nach ihrer Habilitation 2004 und einer kurzen Zeit als Privatdozentin wurde sie 2005 Professorin für Anorganische Chemie an der Marburger Universität. Seit 2006 ist Dehnen Direktorin des Chemikum Marburg, in dem chemische Experimente unter Anleitung für die Allgemeinheit angeboten werden. Von 2011 bis 2012 war sie Dekanin des Fachbereichs Chemie an der Marburger Universität. Seit 2006 ist die Chemikerin Direktorin des wissenschaftlichen Zentrums für Materialwissenschaften an der Uni Marburg.

 
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In den sogenannten Handschuhkästen werden die Stoffe im sauerstofffreien Raum zusammengemischt. Foto: Manfred Hitzeroth

Im Dezember 2010 begann Dr. Günther Thiele , der Anfang 2015 promovierte, in der Arbeitsgruppe von Professorin Stefanie Dehnen. Seine jüngsten Forschungsergebnisse sind in der Zeitschrift „Angewandte Chemie“ nachzulesen.

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