To get the Crystalline Sponge into Water

Kristalline Schwämme in Wasser

Über die "Crystalline Sponge Method" hatte ich bereits zweimal berichtet (Einträge von 2013 und 2016). Inzwischen gibt es auf diesem Gebiet neue Entwicklungen. Ein Problem bei dieser Methode war bisher die Zersetzung der Wirtsmoleküle durch basische Gastmoleküle oder protische Lösungsmittel. Eine Arbeitsgruppe um de Gelder hat mehr als zehntausend Kristallisationsexperimente (!) ausgeführt und dabei neue Wirtsmoleküle entwickelt, die auch in Methanol, Wasser und basischen Lösungsmitteln wie Pyridin stabil sind. Dazu verwendeten Sie unter anderem den unten abgebildeten Linker und synthetisierten metallorganische Gerüstverbindungen (MOF) mit Lanthanoid-Elementen. Bei den Lanthanoiden, die die Linker verbinden, handelt es sich hauptsächlich um Gadolinium, in einzelnen Fällen wurde auch Holmium, Cer und Dysprosium verwendet. Erste Strukturanalysen dieser MOF mit verschiedenen Gastmolekülen wurden publiziert. 

Die dazu gehörende Veröffentlichung finden Sie in:  W. de Poel, P. Tinnemans, A. L. L. Duchateau, M. Honing, F. P. J. T. Rutjes, E. Vlieg, R. de Gelder: The Crystalline Sponge Method in Water , Chem. Eur. J. 2019, 25, 14999.

 

Links: Eines der verwendeten Linkermoleküle zur Erzeugung kristalliner Schwämme.	Rechts: Ausschnitt aus einem kristallinen Schwamm mit dem Gastmolekül Carvon in blau.

Die oben rechts dargestellte Strukturformel gibt keinen besonders guten Einblick in die Struktur der Verbindung. Daher ist unten noch eine Ansicht der Kristallstruktur zu sehen. Die Gadoliniumatome sind an sehr viele Sauerstoffatome koordiniert (grüne Polyederdarstellungen in der Abbildung). Diese sind im Kristallgitter zu dimeren Einheiten verknüpft. Das erkennt man an den beiden grünern Polyedern in der Mitte des Bildes. Das Kristallgitter wird durch die Linkermoleküle zusammengehalten. Zusätzlich enthält die Struktur noch Dimethylformamid. Dieses ist teilweise am Gadolinium koordiniert, scheint aber noch weitere Plätze im Kristall zu besetzen. Das Gastmolekül Carvon habe ich rot dargestellt. In der Ansicht sind jeweils zwei Moleküle Carvon hintereinander zu sehen, deshalb ist das auch an dieser Stelle etwas unübersichtlich. Das ist eine recht komplexe Struktur.

Abbildung: Darstellung der Kristallstruktur eines Gadoliniumkomplexes aus der Publikation Chem. Eur. J. 2019, 25, 14999 in seiner Funktion als kristalliner Schwamm (Abbildung erzeugt aus dem Datensatz CCDC-1880741 mit der Software Mercury). 

Anmerkung: Die Strukturanalysen der Wirt-Gast-Komplexe scheinen teilweise problematisch zu sein. In den Supporting Information zu dieser Publikation findet sich bei einem Teil der Strukturanalysen der Hinweis, dass während der Strukturverfeinerung "...Restelektronendichtemaxima gefunden wurden, die nicht sinnvoll interpretiert werden konnten. Diese wurden mit der SQUEEZE-Prozedur von PLATON behandelt." (sinngemäß übersetzt nach Supporting Information zur Publikation) Das bedeutet, vereinfacht gesagt, die nicht interpretierbaren Teile der Strukturanalyse wurden herausgerechnet. 

Kommentar: Die Methode beinhaltet einen relativ hohen Aufwand (Synthese des Linkermoleküls, Synthese eines geeigneten kristallinen Schwammes für den Gast mit einem Lanthanoid-Element, Erzeugung von Einkristallen mit dem Gast). Außerdem funktioniert zwar die Strukturanalyse in den vorgestellten Fällen, liefert aber teilweise problematische Ergebnisse bei den Strukturanalysen. 

Fazit: Die kristallinen Schwämme bieten eine hoch spezialisierte Methode der Strukturanalyse, die sich in der Breite möglicherweise nicht durchsetzen wird. 

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Wer sich weiter über diese Methode informieren möchte, kann den kürzlich erschienen Review-Artikel in der Angewandten Chemie nutzen:  N. Zigon, V. Duplan, N. Wada, M. Fujita: Crystalline Sponge Method: X-ray Structure Analysis of Small Molecules by Post-Orientation within Porous Crystals—Principle and Proof-of-Concept Studies, Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 25204. 

New on the Bookshelf - Part 4

Neu in der Bibliothek

Das Buch "Shattered Symmetry" von Pieter Thyssen bietet eine Einführung in die Gruppentheorie und weit darüber hinaus bis zum "achtfachen Weg der Quarks, der vierdimensionalen Symmetrie des Wasserstoffatoms und der Struktur des Periodensystems".  Sehr mathematiklastig, sicher nicht für den leichtfertig Zerstreuung suchenden Leser geeignet. Der Autor nutzt Illustrationen aus "Alice im Wunderland und" und "Alice hinter den Spiegeln" um Sachverhalte zur Symmetrie zu verdeutlichen. Das ist ganz witzig und lockert die Lektüre auf.

The Crystalline Sponge Method Reloaded

Neues von den kristallinen Schwämmen

Über kristalline Schwämme als Werkzeug in der Strukturanalyse hatte ich im Blog bereits berichtet. Bei dieser Methode saugt man eine flüssige Verbindung oder die Lösung einer Verbindung auf, dabei entsteht ein Einschlusskomplex. Die Kristallstruktur dieses Komplexes aus Wirt und Gast wird gemessen und schon hat man eine Strukturanalyse der ursprünglich flüssigen Verbindung.  Diese neuartige Methode der Strukturbestimmung publizierten Fujita et al. 2013 unter der Überschrift "X-ray analysis on the nanogram to microgram scale using porous complexes" in Nature 495 (2013) 461-466 und Nature 501 (2013) 262.

Die Methode ermöglicht es auch, die Stereochemie von chiralen Verbindungen zu untersuchen. Verbindungen mit axialer oder planarer Chiralität finden vielfach Anwendung in katalytischen asymmetrischen Synthesen. Allerdings ist die Bestimmung der absoluten Konfiguration solcher Verbindungen oft schwierig. Die Autoren demonstrieren in einem aktuellen Artikel sehr anschaulich die praktische Anwendbarkeit ihrer Methode (S. Yoshioka et al. in Chem. Sci. 6 (2015) 3765-3768). So trennten sie z.B. racemische Mischungen ihrer chiralen Zielsubstanzen mit HPLC auf. Anschließend tauchten sie den kristallinen Schwamm in einen winzigen Tropfen der gewonnenen enantiomerenreinen Substanz. Das führt zu einem chiralen Wirt-Gast-Komplex. Die chirale Gastverbindung induziert dabei einen Übergang des achiralen Wirtsgitters in eine chirale Struktur.

Allerdings ist die Arbeitstechnik mit den kristallinen Schwämmen nicht ganz so einfach. Es gibt zahlreiche praktische und kristallographische Probleme die überwunden werden müssen. In einem Interview für Chemistry World erläutert Makoto Fujita, einer der Autoren, die Probleme mit dieser Methode. Sinngemäß sagte er: "Als wir unseren Artikel  2013 in Nature publizierten, waren wir unsicher über die Anwendbarkeit und die Grenzen dieser Technik. Wir haben inzwischen festgestellt, dass qualitativ hochwertige Daten nur erhalten werden, wenn die Gastmoleküle in sehr hohen Konzentrationen im Wirtsgitter vorliegen. Für jedes zu untersuchende Molekül müssen daher die Bedingungen zur Bildung des Wirt-Gast-Komplexes sorgfältig optimiert werden." Inzwischen haben die Autoren weiter an dieser Methode gearbeitet und präsentieren ihre neuesten Ergbnisse im IUCr Journal (IUCrJ 3, 2016, 139-151).

Nachfolgend zwei Beispielstrukturen aus der Veröffentlichung in Chemical Sciences von 2015: In Abbildung 1 sind alle Atome in der Struktur, also Wirt- und Gastmoleküle, mit van-der-Waals-Radien  wiedergegeben. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Struktur immer noch große Hohlräume enthält. In diesen können sich z.B. Lösungsmittelmoleküle befinden. Wenn das Lösungsmittel keine definierten Positionen im Kristallgitter einnimmt, dann spricht man von "diffusen Lösungsmittelmolekülen". Solche Moleküle erschweren dann häufig eine exakte Strukturbestimmung.

Abb. 1: Struktur eines Einschlusskomplexes von [Tetrakis(2,4,6-tris(pyridin-4-yl)-1,3,5-triazin)-dodecakis(iodo)-hexazink (Wirt) mit (R)-5,5',6,6'-Tetramethylbiphenyl-2,2'-diol als Gast. Abbildung erzeugt mit den Strukturdaten WUDZEC aus der CSD. Originalveröffentlichung der Strukturdaten in Chem. Sci. 6 (2015) 3765-3768.

In der zweiten Abbildung sind die Moleküle des Wirtsgitters wiederum mit van-der-Waals-Radien dargestellt. Für die Gastmoleküle wurde eine Kugel-Stab-Darstellung gewählt. Man erkennt hier, dass die Gastmoleküle nur einen kleinen Anteil an der gesamten Struktur ausmachen. Die Experimentatoren müssen aber bei der Strukturanalyse alle Atome im Kristallgitter der Verfeinerung unterwerfen. Man schleppt bei dieser Methode also einen recht großen "Ballast" mit, nämlich die Atome des Wirtsgitters. Diese sind eigentlich nicht weiter interessant, da die Struktur des Wirtsgitters längst bekannt ist.

 Abb. 2: Struktur eines Einschlusskomplexes von [Tetrakis(2,4,6-tris(Pyridin-4-yl)-1,3,5-triazin)-dodecakis(iodo)-hexazink als Wirt mit (R)-4-(2-isopropyl-1-naphthyl)-2,3-dimethylthiophen als Gast. Abbildung erzeugt mit den Strukturdaten WUDZIC aus der CSD. Originalveröffentlichung der Strukturdaten in Chem. Sci. 6 (2015) 3765-3768.

 
Diese beiden Beispiele zeigen, dass diese Methode durchaus nicht ganz so einfach zu handhaben ist. Die Arbeitstechnik der "kristallinen Schwämme" ist mit handfesten kristallographischen Problemen verbunden. Diese können nur durch sorgfältiges Arbeiten von kristallographisch hoch qualifiziertem Personal gemeistert werden. 

Die kristallinen Schwämme stehen sicher noch am Anfang ihrer Entwicklung als Werkzeuge in der Strukturanalyse. Der nächste Schritt wäre das Design neuer "Schwämme". Dabei werden bisher vor allem Metal-Organic-Frameworks "MOF" verwendet. Diese kristallinen Metallsalze von organischen Säuren besitzen große Hohlräume, in denen die Gastverbindungen Unterschlupf finden. Arbeitsgruppen, die an MOFs arbeiten, könnten mit den kristallinen Schwämmen neue Anwendungsfelder für ihre Verbindungen erschließen. Eine Weiterentwicklung dieser Methode wurde bereits von einer anderen Arbeitsgruppe in Angriff genommen. So demonstrierten E. Sanna et al. kürzlich, dass ein makrocyclisches Tetraimin in Kombination mit Essigester ebenfalls als kristalliner Schwamm geeignet ist (Chem. Sci. 6 (2015) 5466-5472).

Weitere Links zum Thema:

•  IUCr News - The updated crystalline sponge method
• ChemistryWorld - Crystalline sponge method strikes again

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Ergänzung im Dezember 2016:

Mit Hilfe eines kristallinen Schwammes wurde erstmals die Struktur eines Ozonides bestimmt. Solche Verbindungen entstehen bei der Reaktion von Alkenen mit Ozon. Dabei greift das reaktive Ozon (O₃) die Doppelbindung an und spaltet diese (siehe Reaktionsgleichung unten). Ozonide sind sehr instabil und teilweise explosiv. Daher war es bisher nicht möglich eine Strukturanalyse einer solchen Verbindung anzufertigen. (Literatur: J. Am. Chem. Soc. 138, 2016, 10140-10142)

Geschichte der Kristallographie

2014 ist das Internationale Jahr der Kristallographie. Der Anlass dafür war die Verleihung des Nobelpreises für Physik vor einhundert Jahren an Max von Laue für die "Entdeckung, dass Röntgenstrahlen von Kristallen gebeugt werden". Im darauf folgenden Jahr (2015) erhielten dann Vater und Sohn Bragg gemeinsam den Nobelpreis für Physik für ihre Verdienste um die Erforschung von Kristallstrukturen mittels Röntgenstrahlen. Zur Geschichte der Kristallographie gibt es ein sehr gutes Buch, dass ich an dieser Stelle empfehlen möchte: Early Days of X-ray Crystallography von André Authier. Das Buch erschien in der Reihe "International Union of Crystallography Texts on Crystallography".

Tatsächlich reicht die Beschäftigung der Menschen mit Erscheinungen der Kristallographie sehr viel weiter zurück. Das wird in diesem Buch auch in mehreren Artikeln verdeutlicht. Kristalle sind seit dem Altertum als schöne und beständige Formen der Natur beliebt. Die wissenschaftliche Beschäftigung mit Kristallen reicht dementsprechend zurück bis zum Beginn der systematischen Wissenschaften. Beispiele für solche frühen wissenschaftlichen Texte findet man auch im Internet. Nachfolgend -ohne Anspruch auf Vollständigkeit- zwei Links:

Prodromus Crystallographiae De Crystallis Improprie Sic Dictis Commentarium

Autor: Moritz Anton Cappeller, erschienen 1723, aus dem Buch eine Abbildung von Kristallformen:

Krystallsysteme und Krystallstructur von Arthur Schoenflies, erschienen 1891. Das von Schoenflies entwickelte System der Symmetriebeschreibung ist heute noch gültig und wird inzwischen hauptsächlich zur Beschreibung der Symmetrie von Molekülen verwendet, siehe Abbildung: