Nr. 132 / 26. Juni 2017 MM

Reaktionen mit Edelgasen haben Chemiker seit je her fasziniert. Die Substanzen, die zum Beispiel als Leuchtmittel in Leuchtstoffröhren vorkommen, sind extrem träge in ihren chemischen Reaktionen – und damit „edel“. Eine Studie in diesem Bereich der Grundlagenforschung sorgt in der Fachwelt zurzeit für Aufmerksamkeit. Unter Federführung der Universität Bremen ist es einem Forscherteam gelungen, eine Verbindung zwischen Edelgasen und einer negativ geladenen chemischen Substanz zu schaffen. Negative Substanzen haben einen Elektronenüberschuss und sollten daher prinzipiell nicht mit Edelgasen reagieren. Mit Hilfe experimenteller und computergestützter Methoden konnten die Wissenschaftler der Universitäten Bremen und Leipzig, der Bergischen Universität Wuppertal und des US-amerikanischen Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) in Richland die Ursache für dieses bemerkenswerte Reaktionsverhalten der Anionen aufklären und ein neues chemisches Reaktionskonzept entwickeln. Fachgutachter haben die Studie als wissenschaftlichen Durchbruch eingestuft. Sie bringt die Forscher auf das Titelblatt der aktuellen nationalen und internationalen Print-Ausgabe des weltweit angesehenen Fachjournals „Angewandte Chemie" (Nr. 27), die am heutigen 26. Juni 2017 erscheint.

Edelgase gar nicht so edel?

Die Forschungsergebnisse der Wissenschaftler standen zunächst im Widerspruch zur akzeptierten Lehrmeinung. Denn ein Edelgas kann höchstens durch eine chemische Substanz mit hohem Elektronenmangel gebunden werden, die dem Edelgas – trotz seiner Reaktionsträgheit –  Elektronen entreißt. Die experimentellen Ergebnisse ließen aber keinen Zweifel zu: Ein negativ geladener Borcluster  – eine Verbindung mit Elektronenüberschuss, die das Halbmetall Bor enthält –  hatte die Edelgase Krypton und Xenon gebunden. „Um dieses chemische Rätsel zu lösen, das völlig unserer Intuition widersprach, waren umfangreiche theoretische Untersuchungen mit modernsten computergestützten Methoden erforderlich“, sagt Markus Rohdenburg, Erstautor der Studie. Er promoviert zurzeit an der Universität Bremen und hat an dem Projekt schon als Student mitgearbeitet. Dabei ist das Verständnis der Wissenschaftler von Edelgasen unkritisch. „Die Reaktion ist auf die besondere chemische Natur dieses negativen Borclusters zurückzuführen“, erklärt Professor Simon Grabowsky (Uni Bremen), der die Studie gemeinsam mit seinem ehemaligen Bremer Kollegen Dr. Jonas Warneke vom US-amerikanischen Pacific Northwest National Laboratory in Richland geleitet hat. „Obwohl der Borcluster physikalisch ein negatives Teilchen ist, ist es chemisch quasi ein positives Teilchen.“ Diese außergewöhnliche Verknüpfung von physikalischen und chemischen Eigenschaften mache das Edelgasbinden unter diesen experimentellen Bedingungen erst möglich. Durch diese Erkenntnisse könnten mögliche praktische Anwendungen zum Beispiel in der Edelgasisolierung und Lagerung entwickelt werden.

Erfolgreiche Studie durch gute Kooperation

Um die Studie erfolgreich durchzuführen, nutzten die Wissenschaftler in Bremen, Leipzig, Wuppertal und Richland gegenseitig ihre jeweilige Expertise: Während die Forscher an der Universität Bremen und dem US-amerikanischen Pacific Northwest National Laboratory die grundlegende Idee entwickelten, erste Messungen und theoretische Untersuchungen machten, führten die Wissenschaftler der Universität Leipzig die Experimente zur Edelgasbindung und spektroskopische Messungen durch. Expertise in der Borclusterchemie brachte die Bergische Universität Wuppertal mit. Die chemische Synthese der in der Studie verwendeten Borcluster erfolgte dort.

Das Autorenteam im Überblick

An der Studie sind von der Universität Bremen die Wissenschaftler Markus Rohdenburg, Professor Simon Grabowsky, Dr. Tobias Borrmann, Dr. Vladimir Azov und Florian Klemiss beteiligt. Dr. Jonas Warneke hat an der Universität Bremen promoviert und forscht zurzeit am US-amerikanischen Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) in Washington. An der Universität Leipzig haben die Wissenschaftler Martin Mayer, Max Grellmann und Professor Knut R. Asmis an der Studie mitgearbeitet. Von der Bergischen Universität Wuppertal gehört Professor Carsten Jenne zum Autorenteam.

Der Fachartikel mit dem Titel „Superelektrophiles Verhalten eines Anions demonstriert durch spontane Bindung von Edelgasen an [B12Cl11]“ ist online bereits unter doi.org/10.1002/ange.201702237  nachzulesen (internationale Ausgabe: doi.org/10.1002/anie.201702237 ).

Weitere Informationen:

Universität Bremen