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. 

---

 

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. 

The Mechanical Bond

Die Technologie des Tricorders

aus der Serie "Raumschiff Enterprise" wird in dem Buch "The Nature of the Mechanical Bond" nicht direkt behandelt. Aber es geht um ähnlich faszinierende Dinge, nämlich Schalter, Funktionseinheiten und ganze Maschinen - alles aus Molekülen.  Das Buch wurde von C. J. Bruns und J. F. Stoddart verfasst. Letzterer ist ein Pionier und anerkannter Meister auf dem Gebiet der supramolekularen Chemie. So anerkannt, dass er für seine Arbeiten 2016 gemeinsam mit zwei weiteren Wissenschaftlern den Nobelpreis für Chemie für „das Design und die Synthese von molekularen Maschinen“ erhielt.

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

---

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)

Modern Chemistry and the Secret of the Tricorder

Molekulare Maschinen, Sensoren und das Geheimnis des Tricorders

Hightech Gadgets wie zum Beispiel der  Tricorder in der Serie Star Treck sind für viele die Zukunft schlechthin. Inzwischen sind wir mit den Smartphones bereits in der Zukunft angekommen. Die supramolekulare Chemie eröffnet aber noch ganz andere Möglichkeiten bei der Entwicklung neuartiger Sensoren und molekularer Maschinen. Eine Ahnung davon bekommt man wenn man verschiedene Bücher zur supramolekularen Chemie liest. Kürzlich erschien zum Beispiel Organic Synthesis and Molecular Engineering von M. B. Nielsen.

Weiterhin sehr empfehlenswert auf diesem Gebiet sind die Titel:

• Applications of Supramolecular Chemistry herausgegeben von Hans-Jörg Schneider
• Supramolecular Chemistry von J. W. Steed und J. L. Atwood
• Supramolecular Chemistry - Fundamentals and Applications von K. Ariga und T. Kunitake
• Molecular Machines and Motors: Recent Advances and Perspectives von A. Credi, S. Silvi und M. Venturi in der Reihe Topics in Current Chemistry, Band 354

Bitte  verstehen Sie mich nicht falsch: Trotz der scherzhaften Einleitung handelt es sich hierbei um ein ernsthaftes wissenschaftliches Thema. Besorgen Sie sich die Bücher nur, wenn Sie eine ungefähre Vorstellung davon haben was Supramolekulare Chemie ist! Mehr Informationen zur Supramolekularen Chemie finden Sie in einem früheren Eintrag in diesem Blog.

Crystalline Sponges for structure analysis

Kristalline Schwämme

Bislang brauchte man für eine Strukturanalyse Einkristalle möglichst guter Qualität oder man versuchte die Kristallstruktur von polykristallinem Material aus den Daten der Pulverdiffraktometrie abzuleiten. Nunmehr gibt es eine völlig neuartige Methode der Strukturbestimmung: den "kristallinen Schwamm". Mit diesem 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. 
Über diese neuartige Methode der Strukturbestimmung berichteten Fujita et al. in Nature unter der Überschrift "X-ray analysis on the nanogram to microgram scale using porous complexes" (Nature 495, 2013, 461-466).

Die hierbei genutzte Vorgehensweise ist eigentlich schon länger aus der supramolekularen Chemie bekannt. Wirt-Gast-Komplexe wurden aber bisher noch nie so konsequent zur Strukturanalyse der Gast-Komponente genutzt. Die Autoren des Nature-Artikels waren auch in der Lage zu zeigen, dass diese Methode gut verallgemeinerbar ist und für eine Vielzahl von Verbindungen funktioniert. Dabei müssen doch einige Voraussetzungen erfüllt sein, damit die oben von mir so salopp beschriebene Methode überhaupt zum Erfolg führt:

• Die zu untersuchende Verbindung oder die Lösung dieser Verbindung darf das Kristallgitter des "kristallinen Schwamms" beim Aufsaugen nicht zerstören.
• Die zu untersuchende Verbindung (auch "die Gastmoleküle") müssen die richtige Form und Größe haben, um in das Kristallgittes des Wirtes hineinzupassen. 
• Die Gastmoleküle müssen im Kristallgitter des Wirtes kristallographisch definierte Positionen einnehmen, sie dürfen also nicht ungeordnet im Kristallgitter umherliegen. 

Für die Strukturanalyse braucht man dann auch nicht mehr eine makroskopische Menge, sondern wenige Milligramm können genügen. Die Autoren haben dies an den Strukturanalysen von verschiedenen Flavonoiden gezeigt, die sie aus den Fraktionen einer HPLC-Trennung gewonnen haben!

Die verwendeten molekularen Schwämme sind poröse metallorganische Gerüstverbindungen ("MOF"). Die Methode zur Strukturbestimmung mit kristallinen Schwämmen stellt somit eine neuartige und hoch interessante Anwendung der supramolekularen Chemie dar.

Weitere Links:

• Taking the crystals out of X-ray crystallography - Nature News von  E. Callaway
• X-ray crystallography: One size fits most - Kommentar bei Nature News von P. Stallforth und J. Clardy
• X-Ray Structures Of Everything. Without Crystals. Holy Cow. auf pipeline.corante.com

Supramolekulare Verbindungen - vom Spielzeug zum Werkzeug

In den achtziger Jahren des zwanzigsten Jahrhunderts betrachtete man die supramolekulare Chemie etwas lächelnd als Spielplatz der Organiker. Damals probierten diese große neuartige Strukturen aufzubauen, für die es zwar Vorbilder im Legokasten, aber nicht unbedingt in der Natur gab. Inzwischen ist diese Disziplin, vielleicht noch nicht erwachsen, aber auf jeden Fall ernst zu nehmen. Die Bauprinzipien der supramolekularen Chemie sind einerseits aus der Koordinationschemie entlehnt, indem man mehrfach funktionalisierte Liganden mit geeigneten Metallatome zu Komplexverbindungen verknüpft. Andererseits werden auch aus der Natur bekannte Wecheselwirkungen genutzt, wie z.B. Wasserstoffbrückenbindungen.

Aber vielleicht der Reihe nach. Zunächst erst einmal: Was ist supramolekulare Chemie? Man versteht darunter die Chemie jenseits des Moleküls oder anders ausgedrückt die Chemie der intermolekularen Wechselwirkungen, also der Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Molekülen. Moleküle "erkennen" einander durch eine komplizierte Kombination von geometrischen und chemischen Faktoren. Die eingängigste und bekannteste Erklärung der molekularen Erkennung ist wohl das "Schlüssel-Schloss-Prinzip". Dieses Prinzip wurde bereits 1894 von Emil Fischer für die Wechselwirkung von Enzymen mit Substraten formuliert. Genau dieses Schlüssel-Schloss-Prinzip liegt auch den supramolekularen Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Molekülen zugrunde. Wenn zwei Moleküle einen supramolekularen Komplex bilden sollen, so müssen sie geometrisch zueinander passen und überdies geeignete Gruppen für gegenseitige Wechselwirkungen besitzen. Solche Wechselwirkungen können z.B. Wasserstoffbrückenbindungen, Halogen-Halogen-Wechselwirkungen, pi-pi-Wechselwirkungen zwischen Aromaten oder Komplexbildungsreaktionen zwischen Metallkationen und geeigneten organischen Ligandmolekülen sein. Die entstehenden Strukturen können sehr unterschiedliche Topologien, also Verknüpfungen der Bausteine, aufweisen. So gibt es zwei- und dreidimensionale Netzwerke, Helices und alle möglichen anderen denkbaren Varianten. Die nachfolgende Abbildung zeigt nur einige Varianten auf.

quadratisches zweidimensionales Netzwerk	hexagonales zweidimensionales Netzwerk	dreidimensionales  Netzwerk	Helix

Es gibt inzwischen durchaus vielversprechende Anwendungen supramolekularer Verbindungen. Anwendungen, die vielleicht mit konventionellen Molekülen nicht erreicht werden können. Gerade wenn es um "Erkennung" von Molekülen im Sinne eines analytischen Nachweises geht, können supramolekularen Verbindungen anderen Problemlösungen überlegen sein . Dazu nachfolgend einige Beispiele aus der Literatur.

An dieser Stelle werden bewusst keine chemischen Formeln oder Reaktionsgleichungen benutzt, sondern nur einige Illustrationen eingesetzt. Wer es genauer wissen will, schaut bitte in die angegebene Originalliteratur. 

---

Detektion von Explosivstoffen
TNT und andere nitrierte Aromaten können mit geeigneten rein organischen supramolekularen Einheiten detektiert also nachgewiesen werden. Wichtig im Antiterrorkampf!

	Fluorescent Porous Polymer Films as TNT Chemosensors:  Electronic and Structural Effects; J. Am. Chem. Soc., 120, 1998, 11864–1187.
	Detection of Explosives with a Fluorescent Nanofibril Film; J. Am. Chem. Soc., 129, 2007, 6978–6979.

---

Die Abtrennung von Actinoiden und Lanthanoiden aus nuklearem Abfall
ist ein sehr wichtiges Thema. Egal ob es sich um Abfälle aus einem Reaktorunfall oder um die routinemässige Aufarbeitung von Rückständen aus der Kerntechnik handelt, ein wirklich selektiv funktionierendes Verfahren zur Abtrennung einzelner Elemente wäre höchst willkommen.

	‘CMPO-substituted’ calix[4]arenes, extractants with selectivity among trivalent lanthanides and between trivalent actinides and lanthanides; Chem. Commun., 1998, 1627-1628.
	Multicoordinate ligands for actinide/lanthanide separation; Chem. Soc. Rev., 36, 2007, 367-377.

---

Andere Anwendungen im Bereich der Umwelanalytik sind ebenfalls möglich und werden in diesem Übersichtsartikel ausführlich besprochen: Supramolecular complexation for environmental control (M. Teresa Albelda , Juan C. Frías , Enrique García-España and Hans-Jörg Schneider, Chem. Soc. Rev., 41, 2012, 3859-3877)

---

Von supramolekularen Verbindungen zu MOF

Die in den letzten Jahren so hoch geschätzten MOFs ("Metal Organic Frameworks") sind auch nichts anderes als supramolekulare Verbindungen. Hier ein Link mit weiter führenden Informationen: Synthese und Anwendungen von mit supramolekularen Templaten hergestellten mesoporösen Materialien (Jackie Y. Ying, Christian P. Mehnert, Michael S. Wong: Angewandte Chemie, 111, 1999, 58–82)

---

Ein Ausblick in die Zukunft, also was man alles mit supramolekularen Verbindungen noch so anstellen kann zeigt der Artikel von Euan R. Kay, David A. Leigh Prof., Francesco Zerbetto: Synthetische molekulare Motoren und mechanische Maschinen
Angew. Chem. 2007, 119, 72 – 196.

---

Weiter Links:

• Grundlegende Informationen zur supramoloekularen Chemie findet man wie immer bei Wikipedia und in diesem Artikel von Arne Lützen: Supramolekulare Chemie – Chemie jenseits des Moleküls, CHEMKON 2007, 14, 123-130.
• Präsentation Supramolekulare Chemie - Konzepte, Methoden, Wechselwirkungen Neue Chemische Template: Funktionale Metallosupramolekulare Rauten, Dreiecke und Quadrate und Massenspektrometrische Untersuchungen Metall- und Elementorganischer Verbindungen - Dissertation Torsten Weilandt Universität Bonn 2009.
• Karsten Gloe, Kerstin Gloe, Holger Heßke und Leonard F. Lindoy: Supramolekulare Chemie: Vom Einzelmolekül zur komplexen Funktionseinheit Wissenschaftliche Zeitschrift der Technischen Universität Dresden, 56 (2007) Heft 1 – 2, Seite  32-38.
• Nori Yamaguchi: Supramolecular Assemblies: Dendrimers, Linear Arrays, and Polypseudorotaxanes, Virginia Tech., Dissertation 1999.
• Sammlung von wissenschaftlichen Artikeln der Zeitschrift Chemical Communications zur Supramolekularen Chemie 2011.