Jahrzehntelange Suche: Ikonisches aromatisches Molekül mit Silizium erzeugt

In den Naturwissenschaften sind fundamentale Durchbrüche eher die Ausnahme. Denn der Erkenntnisgewinn besteht meist aus vielen kleinen Schritten , die erst nach und nach ein vollständiges Gesamtbild ergeben. Nun ist Forschenden der Universität des Saarlandes jedoch ein außergewöhnlicher Erfolg gelungen. Sie konnten ein stabiles Molekül synthetisieren, nach dem Forscher weltweit bereits seit Jahrzehnten vergeblich gesucht hatten.

Ein Durchbruch nach 50 Jahren

Wissenschaftlicher Fortschritt lässt sich oft nur mit viel Ausdauer erzielen, da bedeutende Durchbrüche meist Zeit benötigen. Diese Erfahrung teilen aktuell Prof. David Scheschkewitz und sein Doktorand Ankur. Gemeinsam mit Bernd Morgenstern von der universitären Servicestelle für Röntgenbeugung gelang ihnen nun ein Erfolg, auf den die Fachwelt fast ein halbes Jahrhundert warten musste.

Das Team um Professor Scheschkewitz hat erfolgreich das Pentasilacyclopentadienid synthetisiert. Auch wenn dieser Begriff für Außenstehende zunächst komplex klingen mag, verbirgt sich dahinter ein bedeutender chemischer Durchbruch. Den Forschenden ist es gelungen, eine für die organische Chemie charakteristische und besonders stabile Molekülklasse grundlegend zu modifizieren. Dabei wurden die zentralen Kohlenstoffatome vollständig durch Siliziumatome ersetzt, was neue Perspektiven für die Materialwissenschaft und die Elementchemie eröffnet.

Silizium-Aromaten: Ein neues Kapitel der Chemie

In unserer alltäglichen Umgebung nehmen stabile Moleküle dieser Art eine Schlüsselrolle ein, insbesondere innerhalb der Kunststoffproduktion. „In der Polyethylen- und Polypropylen-Herstellung sorgen derartige aromatische Verbindungen dafür, dass die Katalysatoren, die den chemischen Prozess für die Kunststoffherstellung gezielt ablaufen lassen, langlebiger und damit effektiver sind“, erklärt David Scheschkewitz. Der Chemiker führt weiter aus: „Silizium ist viel metallartiger als Kohlenstoff und bindet Elektronen daher viel schlechter“. Durch den Einsatz von Silizium- anstelle von Kohlenstoffatomen im Cyclopentadienid lassen sich neuartige Verbindungen und Katalysatoren mit potenziell völlig veränderten Eigenschaften erschließen. Dies gleicht dem Aufbruch in eine neue Welt chemischer Möglichkeiten, für die David Scheschkewitz, Ankur und Bernd Morgenstern nun den entscheidenden Weg bereitet haben.

Die Schwierigkeit dieses Vorhabens wird durch einen Blick auf die zugrunde liegende Chemie deutlich. Das kohlenstoffhaltige Vorbild der neuen Silizium-Verbindung ist das Cyclopentadienid, ein aromatisches Kohlenwasserstoffmolekül. Diese Verbindung zeichnet sich durch eine flache, planare Struktur aus, in der die Kohlenstoffatome ringförmig angeordnet sind. Ihre besondere Stabilität resultiert aus einem Prinzip, das man als „Elektronen-Sozialismus“ bezeichnen kann. Der Name dieser Stoffgruppe geht übrigens auf die aromatischen Gerüche der ersten Entdeckungen im 19. Jahrhundert zurück. „Wir sprechen davon, dass eine aromatische Verbindung eine bestimmte Anzahl gerecht geteilter Elektronen aufweist, die der sogenannten Hückel-Regel folgen“, erklärt David Scheschkewitz. Diese nach dem Physiker Erich Hückel benannte Regel beschreibt ein spezifisches Muster für die Anzahl der geteilten Elektronen. Da sich diese Elektronen flexibel an jedem beliebigen Atom des Rings aufhalten können, verleihen sie dem Molekül seine außergewöhnliche Beständigkeit.

Über Jahrzehnte hinweg existierten aromatische Moleküle auf Siliziumbasis lediglich in einer einzigen Variante. Nachdem im Jahr 1981 die Herstellung eines Silizium-Analogons des Cyclopropenylkations – ein aromatisches Molekül mit einem Ring aus drei Atomen – geglückt war, blieben zahlreiche weitere Versuche lange Zeit erfolglos. Erst jetzt ist es Ankur, Bernd Morgenstern und David Scheschkewitz gelungen, ein fünfatomiges Molekül zu entwickeln, welches diese komplexen Eigenschaften besitzt.

Neue Wege für die Materialforschung

Dabei zeigt sich eine gewisse Ironie der Geschichte, da praktisch zeitgleich die identische Verbindung im Labor von Takeaki Iwamoto an der Tohoku University im japanischen Sendai entdeckt wurde. Mit diesem Erfolg ist der Weg für gänzlich neue Materialien und Prozesse geebnet, die potenziell von industrieller Relevanz sein könnten. „Der schwere Anfang ist gemacht!“

Quelle

Universität des Saarlandes (02/2026)