Ein ungewöhnliches aromatisches Molekül haben Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) gemeinsam mit einem internationalen Team erzeugt. Es besteht aus drei Metallatomen und ist das schwerste seiner Art: Ein Ring aus drei Bismut-Atomen wird zwischen zwei großen Metallatomen in einem inversen Sandwichkomplex gehalten. Anhand dieser Entdeckung lässt sich Aromatizität in schweren Elementen besser verstehen. Zudem eröffnet die Studie neue Möglichkeiten für funktionale Materialien. Ergebnisse in Nature Chemistry. (DOI: 10.1038/s41557-026-02123-8)
Aromatische Moleküle zeichnen sich durch ihre Ringform und ihre spezielle Bindungsstruktur aus, in der Elektronen frei im Ring beweglich sind. Die durch diese Ringströme bedingte erhöhte Stabilität macht Aromaten für verschiedene Anwendungen interessant. „Lange waren aromatische Moleküle nur in der organischen Chemie bekannt, das heißt als ringförmige Kohlenstoffverbindungen. Der bekannteste Aromat ist Benzol, ein Bestandteil von Benzin und ein wichtiger Grundbaustein für Kunststoffe“, sagt Professorin Stefanie Dehnen, Direktorin des Instituts für Nanotechnologie (INT) des KIT und Leiterin der dort angesiedelten Forschungsgruppe Cluster-Based Materials. „Aromatische Moleküle kommen aber auch mit anderen Nichtmetallatomen oder als metallorganische Verbindungen vor. Seit wenigen Jahren gelingt es zudem, Aromaten ausschließlich aus Metallatomen zu synthetisieren.“
Ein Durchbruch auf dem Gebiet der All-Metall-Aromatizität ist ihrer Forschungsgruppe am KIT nun gemeinsam mit Kooperationspartnern der University of Manchester sowie mehreren Forschungseinrichtungen in China gelungen: Dem internationalen Team gelang es, den bislang schwersten aromatischen Dreiring aus Bismut-Atomen stabil in ein komplexes Molekül zu integrieren.
Bismutring weist stabilisierende Ringströme auf
Die Forschenden fingen einen Ring aus drei Atomen des Schwermetalls Bismut zwischen zwei Schwermetallatomen – Uran oder Thorium – in einem sogenannten inversen Sandwichkomplex ein. Mithilfe von Röntgenkristallographie ließen sich Form und Symmetrie des Drei-Atom-Rings bestätigen. Messungen der magnetischen Eigenschaften, Spektroskopie und theoretische Studien zeigten, dass der Bismutring magnetisch induzierte, stabilisierende Ringströme aufweist. Die Studie liefert damit wegweisende neue Erkenntnisse zur Aromatizität jenseits der organischen Chemie und zeigt, dass aromatische Metallatom-Dreiringe in ungewöhnlichen Clustern aus Schwermetallatomen auftreten können.
Entdeckung könnte zukünftig neue funktionale Materialien ermöglichen
Die Forschenden um Dehnen am INT und Professor Florian Weigend, Leiter der Forschungsgruppe Quanten-Molekülsysteme am Institut für QuantenMaterialien und Technologien (IQMT) des KIT, arbeiten seit mehreren Jahren auf dem Gebiet der All-Metall-Aromatizität zusammen. Partner sind dabei die Forschenden um Professor Stephen T. Liddle von der University of Manchester. Für die aktuelle Studie lieferte die Forschungsgruppe von Dehnen bismuthaltige Chemikalien, das Team von Weigend steuerte quantenchemische Rechnungen zu den Bindungsverhältnissen und den Ringströmen bei. „Unsere Arbeit schlägt eine Brücke zwischen der organischen Chemie und der Chemie metallischer Halbleiter“, sagt Dehnen. „Sie trägt zum Verständnis von Aromatizität in Schwermetallclustern bei und könnte zukünftig neue funktionale Materialien ermöglichen, beispielsweise intermetallische Verbindungen, nanoskalige Halbleiterbauteile oder Katalysatoren.“
Die Studie hängt eng mit dem vom KIT und der Universität Heidelberg getragenen Projekt HEiKA STAR – DEUsAroMet (steht für: All-Metal Aromaticity: Definition, Evidence, Use) zusammen. In interdisziplinärer Zusammenarbeit untersuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler rein metallische Verbindungen mit aromatischen Eigenschaften. Ziel ist, theoretische und experimentelle Grundlagen zu schaffen und mögliche Anwendungen in Nanotechnologie, Energietechnologie oder Quantencomputing zu erforschen.
Originalpublikation
Junru Ding, John A. Seed, Katrin Beuthert, Benjamin Peerless, Julia Rienmüller, Andreas Schmidt, Ashley J. Wooles, Louise S. Natrajan, Chuan-Ling Chen, Zhong-Ming Sun, Florian Weigend, Stefanie Dehnen, Jingzhen Du & Stephen T. Liddle: All-metal aromaticity of cyclo-Bi33− in diuranium and dithorium inverse-sandwich-type complexes. Nature Chemistry, 2026. DOI: 10.1038/s41557-026-02123-8
Informationen zum Projekt HEiKA STAR – DEUsAroMet
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