Ob als CO2-Fänger beim Direct-Air-Capture, als Helfer bei der Wassergewinnung oder -reinigung oder als Elektrodenmaterial in Batterien: Die hochporösen Käfigmoleküle der metallorganischen Gerüstverbindungen sind ebenso vielseitig wie praktisch einsetzbar. Denn je nachdem, welche Metallionen und organischen “Stützstreben” diese Materialien enthalten, speichern und binden sie selektiv verschiedenste Chemikalien. Den Chemie-Nobelpreis 2025 erhalten drei Chemiker, denen wir diese vielseitig einsetzbaren Gerüstverbindungen verdanken.
Holzkugeln, Stäbe und eine Idee
Die Geschichte dieser Entdeckung beginnt in den 1970er Jahren, als Richard Robson, damals Chemieprofessor an der University of Melbourne, eine Chemie-Vorlesung für seine Studenten vorbereitete. Sie sollten aus vorgebohrten Holzkugeln und Stäben Molekülstrukturen zusammenbauen. Dabei zeigte sich, dass die Löcher für die Verbindungsstäbe je nach Atomsorte und Molekül an verschiedenen Stellen der Kugeln sitzen mussten. Robson erkannte, dass die intrinsischen Eigenheiten der Atome die Struktur der resultierenden Moleküle prägen. Das führte den Chemiker zu der Frage: Könnte man neuartige, maßgeschneiderte Molekülstrukturen erzeugen, allein indem man die passenden “Kugeln” und Bohrungen wählt?
Für seine ersten Versuche wählte Robson Kupferionen als “Kugeln”, die er mit organischen Nitrilen kombinierte – polare Verbindungen mit einer Dreifachbindung von Kohlenstoff und Stickstoff an einem Ende. Durch die Teilladungen am Ende der Nitrile lagerten sich diese von alleine so an, dass sie Streben zwischen den Kupferionen bildeten. Es entstand eine Gitterstruktur ähnlich der des Diamanten, aber mit großen Hohlräumen zwischen den Streben. Robson erkannte das Potenzial dieser porösen Gerüste: In seinen Versuchen nutzte er die Gerüstmoleküle, um verschiedene andere Chemikalien in den Hohlräumen einzuschließen. Es zeigte, sich, dass diese metallorganischen Gerüste auch als Ionentauscher fungieren konnten: Weil sie einige Fremdionen besser binden als andere, kann man sie als chemische Filter oder Speicher verwenden. 1989 veröffentlichte Robson seine Erkenntnisse zur dieser neuartigen Materialklasse. Allerdings waren seine metallorganischen Gerüste noch sehr instabil und wenig robust.
Kanäle und flexible Gerüste
An diesem Punkt setzen die Errungenschaften der beiden anderen Nobelpreisträger an. Unabhängig voneinander entwickelten sie auf Basis von zunächst zweidimensionalen Konstrukten neue, stabile Varianten der dreidimensionalen metallorganischen Gerüstverbindungen und demonstrierten ganz neue Eigenschaften und Vorteile dieser molekularen Käfige. Susumu Kitagawa von der Universität Kyoto entdeckte im Jahr 1997, dass man die metallorganischen Gerüste so konstruieren kann, dass sie durchlässige Kanäle enthalten und Gase binden oder durchlassen können. Der Chemiker entwickelte zudem erstmals Käfigmoleküle, die nicht starr, sondern biegsam und flexibel waren. 1998 beschrieb Kitagawa, wie stabile Gerüstmoleküle aus ganz verschiedenen Grundbausteinen erzeugt werden können – was das enorme Anwendungspotenzial der Materialien noch steigerte.
