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News: Hohle Verbindungen

Zur Herstellung vieler Substanzen, die für unser modernes Leben selbstverständlich geworden sind, werden Katalysatoren verwendet. Die Palette reicht von Kraftstoffen über Kunststoffe bis zu Materialien für die Chipproduktion. Katalysatoren sind spezielle Moleküle, die chemische Reaktionen beschleunigen oder sogar erst möglich machen und müssen oft für die einzelnen Prozesse maßgeschneidert werden. Nun ist es Wissenschaftlern gelungen, die erste stabile metallorganische Verbindung mit Gerüststruktur herzustellen. Eine Substanzklasse, von der die Forscher annehmen, daß sie sich hervorragend als Katalysator eignet, wenn größere Moleküle im Spiel sind. Denn die neue Verbindung besitzt eine ähnliche Käfigstruktur wie Zeolithe, allerdings mit größeren Poren.
Katalysatoren sind vorwiegend poröse Substanzen, denn durch die große Oberfläche sind sie besonders wirksam und es können nur solche Moleküle in ihre Poren eindringen, deren Eigenschaften zum Katalysator passen. Eine Substanzklasse, die schon lange in vielen industriellen Prozessen als Katalysator eingesetzt wird, sind die Zeolithe. Sie sind käfigartig aufgebaut und leicht herzustellen, haben allerdings den Nachteil, daß sich die Größe der Poren nicht beliebig einstellen läßt. Daher wurden die sogenannten metallorganischen Gerüste entwickelt, relativ instabile Verbindungen aus organischen Molekülen und Metallen. "Es gibt eine natürliche Grenze für die Porengröße der Zeolithe, deshalb haben Chemiker nach anderen Materialien Ausschau gehalten und nach anderen Möglichkeiten, solche Gerüste herzustellen. Ein Weg war, Metallatome und organische Moleküle zu verwenden. Dabei erhielt man die sogenannten metallorganischen Gerüste, die etwas größere Poren haben", erklärt Michael O'Keeffe, der gemeinsam mit Hailian Li von der Arizona State University und Mohamed Eddaoudi und Omar M. Yaghi von der University of Michigan in Ann Arbor zum ersten Mal eine stabile metallorganische Gerüst-Verbindung hergestellt hat. "Das Problem der Gerüste war bisher, daß sie sehr instabil waren. Wenn man Material aus den zentralen Poren entfernt hat, fiel das Molekül zusammen", sagte O'Keeffe (Nature vom 18. November 1999).

Die neue Verbindung besteht aus Zinkoxid und Terephthalsäure, die über Doppelbindungen miteinander verknüpft sind. Die Gerüst-Verbindung hat große kastenförmige Hohlräume, in die andere Moleküle eindringen können, und verändert seine Eigenschaften weder im Vakuum noch bei Temperaturen bis 300 Grad Celsius. "Es ist wirklich spektakulär – es ist nicht nur sehr stabil, sondern auch das leichteste kristalline Material, das bisher hergestellt wurde. Außerdem ist es praktisch: Es besteht aus ganz gewöhnlichen chemischen Komponenten, es ist günstig und nicht toxisch", erklärt O'Keeffe.

Obwohl die genaue Verwendbarkeit des Materials noch nicht geklärt ist, weist O'Keeffe darauf hin, daß es ein Durchbruch für die chemische Industrie sein könnte. Die Synthese eines stabilen metallorganischen Gerüstes öffnet den Weg zu einer ganz neuen Generation katalytischer Materialien. Eine mögliche Anwendung dieser neuen chemischen Technologie ist die Weiterentwicklung petrochemischer Trennverfahren, die Beseitigung von Umweltverschmutzung und billigere Aufbewahrungsmethoden für natürliche Gase. "Wenn es möglich ist, mehr poröse Materialien wie dieses zu synthetisieren, wird die Anzahl der Dinge, die man chemisch herstellen kann, deutlich zunehmen. Eine Menge Chemiker haben schon länger nach etwas Änhlichem gesucht, das ist also der Moment, auf den viele gewartet haben", sagt O'Keeffe.

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