Makromolekulare Chemie: Nanocontainer flott gebaut

Container im Nanomaßstab sind eine gefragte Spezies, denn sie sind in der Lage, Moleküle in sich aufzunehmen. Sie dienen als molekulare Reaktionskammern für kontrollierte chemische Reaktionen, Transporter und Speicher für Pharmaka oder Pflanzenschutzmittel und können Giftstoffe aus Wasser herausfiltern. Doch die Synthese solcher Kapseln ist nicht einfach.

Die chemische Verknüpfung einzelner Bauteile zu einem molekularen Container, der groß genug ist, um mehrere oder große Gastmoleküle aufzunehmen, erweist sich meist als extrem kniffelige Angelegenheit, die viele komplizierte Reaktionsschritte umfasst. Bisher bastelten Chemiker mit einzelnen Bauteilen, die in der Lage sind, sich in einem Selbstorganisationsprozess zu einem supramolekularen Gebilde zusammenzulagern. Die Bauteile wurden dabei allerdings nicht über feste chemische, also kovalente Bindungen miteinander verknüpft, sondern lagen als Aggregat individueller Moleküle vor.

Das Team um Ralf Warmuth von der Rutgers-Universität wählte einen anderen Weg: Sie fanden eine Möglichkeit, wie sich Einzelteile genauso spontan und reibungslos in einem Schritt kovalent zu einem einzigen Riesenmolekül in Form eines Containers verbinden lassen.

Nanocontainer | In einem Schritt fertig: Der oktaedrische Nanocontainer (3) besteht aus sechs halbschalenförmigen Molekülen (1), die über zwölf Verbrückungselemente (2) verbunden werden. Dazu müssen 24 Imin-Bindungen in einem Schritt fehlerfrei verknüpft werden.
Der fertige Container hat einen Durchmesser von 3,2 Å und ein Volumen des inneren Hohlraums von etwa 1700 Å³.

Für ihre Synthese benutzten die Forscher zwei verschiedene Bauteile: sechs große halbschalenförmige Moleküle und zwölf kleine Moleküle als Verbrückungselemente. Jede Halbschale trug vier Atomgruppen, die besonders gern mit einer der reaktiven Aminogruppen an den Brückenenden eine Liaison eingehen. Die beiden Substanzen einfach auflösen und im richtigen Mengenverhältnis mit einander mischen – und schon reagierten die Bausteine wie von selbst zu oktaedrischen kapselartigen Riesenmolekülen.

Damit dieses kleine Wunder gelang, mussten 24 neue Imin-Bindungen so gut wie fehlerfrei geknüpft werden. Wie kann das klappen?

Erfolgsgeheimnis: 1. Die oktaedrische Anordnung ist die energetisch günstigste unter den möglichen Formen.

2. Die Knüpfung der Bindungen ist reversibel, das heißt, die frischen Imin-Bindungen können unter den gewählten Reaktionsbedingungen leicht auch wieder aufgehen. So haben die Bauteile die Gelegenheit, sich nach und nach in der bevorzugten Weise zu arrangieren.

"Die oktaedrischen Container bieten die Möglichkeit für Variationen, so dass sich gezielt maßgeschneiderte Behälterchen herstellen lassen sollten", meint Warmuth. "Ob sich unser Syntheseprinzip auch auf andere molekulare Bausteine anwenden lässt, testen wir derzeit."