Salomonisch verknotete Moleküle

Ineinander verschlungene Molekülringe durch Selbstorganisation

Bereits seit Jahrhunderten ist er ein beliebtes Symbol, geschätzt als Ornament, man findet ihn als Gravur oder Stickerei, als Mosaik oder als Tätowierung – und nun gibt es ihn auch als Molekül: den Salomonischen Knoten, auch bekannt als Comaziner Knoten. Es handelt sich dabei um zwei doppelt miteinander verschlungene Ringe. In einem Selbstorganisationsprozess bringt ein Forscher-Team von der University of California in Los Angeles (USA) und der Nottingham Trent University (UK) molekulare Bausteine dazu, sich zu einem Salomonischen Knoten zu verflechten. „Erfolgsgeheimnis ist die wohlüberlegte Wahl von Metallionen und Lösungsmittel,“ verrät J. Fraser Stoddart in der Zeitschrift Angewandte Chemie. „Während in der Lösung verschiedene Molekülformen miteinander konkurrieren, gewinnt der Salomonische Knoten während der Kristallisation die Oberhand, einfach weil er am besten kristallisiert.“

Systeme aus einzelnen, nicht chemisch miteinander verknüpften molekularen Komponenten, die rein mechanisch verbunden sind, stellen eine enorme Herausforderung an die Wissenschaft dar. Stoddart, einem der Pioniere auf dem Gebiet der supramolekularen Chemie, ist bereits eine ganze Reihe solcher Konstrukte gelungen. Zusammen mit seinem Team hat er beispielsweise ein Molekülsystem in Form Borromäischer Ringe hergestellt. Der Name leitet sich ab von einer italienischen Familie, die solche drei ineinander verschlungenen Ringe in ihrem Wappen trug. Stoddarts Borromäische Ringe entstehen in einem Selbstorganisationsprozess aus 18 Komponenten. Sechs organische Bausteine mit je zwei “Zähnen” und weitere sechs organische Bausteine mit je drei “Zähnen” umklammern dabei sechs Zinkionen und bilden die Anordnung aus drei miteinander verhakten Ringen. Spannend wird es, wenn Zink- und Kupferionen im Verhältnis 1:1 gemischt werden: Durch Selbstorganisation lagern sich 12 Bausteine nicht zu drei, sondern zu zwei Ringen zusammen, die doppelt ineinander verflochten sind – einen molekularen Salomonischen Knoten, der durch Kristallisation isoliert werden kann. Die vier Schlaufen des Knotens werden durch zwei Kupfer- und zwei Zinkionen stabilisiert. In der Lösung liegt zunächst eine Gleichgewichtsverteilung der verschiedenen Knotentypen vor. Während der Kristallisation reichert sich aber der Salomonische Knoten auf Kosten der Borromäischen Ringe an.

„Während der Entstehung dieser exotischen Verbindungen lösen sich chemische Bindungen ebenso rasch wie sie entstehen,“ erklärt Stoddart. „Das geht so lange, bis sich, als Endprodukt, diejenige Struktur bildet, die sich unter den gegebenen Bedingungen am wohlsten fühlt.“

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