EiN(H-3) gänzlich neues Gebiet

Eine neue Entdeckung auf dem Gebiet der Borate in der Grundlagenforschung der Chemie schaffte es auf die Titelseite der „Angewandten Chemie“, einem der renommiertesten Chemie-Journale. Hubert Huppertz, Dekan der Fakultät für Chemie und Pharmazie, und sein Team konnten die komplexe Boratchemie um ein weiteres Element erweitern.
Huppertz_Titelbild_Angewandte Chemie
Bild: Ein weiteres Element wird fortan die komplexe Boratchemie ergänzen. (Bild: Huppertz)

Hubert Huppertz und sein Team arbeiten auf dem Gebiet der Borate, anorganische Materialien, von denen bisher etwa 1500 verschiedene Verbindungen mit unterschiedlichen Strukturen bekannt sind. Eingesetzt werden diese chemischen Substanzen beispielsweise in Gebieten der Bleichmittelindustrie, der Glas- und Waschmittelindustrie, der Flammschutzmittelindustrie, sowie der nicht-linearen Optik. „Es gibt tausende Anwendungen in denen Borate eine Rolle spielen“, so der Chemiker. Bekannt war bisher, dass diese Borate nur aus den Metallkationen, Bor und Sauerstoff aufgebaut sind. „An ein Bor-Atom binden sich immer entweder drei oder vier Sauerstoffatome. Versuche, ein solches Sauerstoffatom gegen ein Ammoniak-Molekül auszutauschen, sind in diesen Borat-Strukturen noch nie gelungen“, erläutert der Chemiker. Der Zugang zur Substanzklasse der stickstoffhaltigen Borate war bislang wegen der anspruchsvollen Ausgangsstoffe und den schwierigen Reaktionsbedingungen äußerst aufwendig. „Obwohl eine Vielzahl von Verbindungen bekannt ist, die gleichzeitig Bor und Stickstoff enthalten, ist bisher kein Addukt von Ammoniak mit einem anorganischen Borat beobachtet worden“, erklärt Hubert Huppertz. Dem Team an Chemikerinnen und Chemikern am Institut für Allgemeine, Anorganische und Theoretische Chemie gelang es, spezielle Bedingungen zu ermitteln, unter denen es möglich wurde, ein Stickstoffatom den bisher bekannten Borat-Strukturen hinzuzufügen. „Wir haben hier erstmals eine Ammoniak-Gruppe, die an eine herkömmliche BO3-Gruppe koordiniert, wodurch ein neues BO3(NH3) Tetraeder entsteht“, erläutert der Wissenschaftler. Mit dieser wissenschaftlichen Leistung ist es den Forscherinnen und Forschern gelungen, eine gänzlich neue Substanzklasse synthetisch zu eröffnen.

Alles eine Frage von genügend Druck

„Eine derartige Kombination war bisher nicht vorstellbar, da Ammoniak ein Gas und daher nur sehr schwer in Boraten zu stabilisieren ist. Damit standen wir vor einer komplexen Aufgabe“, so Huppertz. Nach grundlegenden Forschungen und Versuchen schafften es die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, bei einem Druck von 4,7 Gigapascal und einer Temperatur von 800 Grad Celsius in einer Hochdruckanlage das neu entstandene Ammin-Borat zu stabilisieren. „Uns ist es gelungen, einen Zugang in ein neues System zu finden, mit dem die unglaublich komplexe Boratchemie um ein zusätzliches Element erweitert werden kann. Das bedeutet, dass wir ein komplett neues Gebiet eröffnet haben, in dem die etwa 1500 bisher existierenden Borate um unzählige neue Kombinationsmöglichkeiten erweitert werden können“, begeistert sich Huppertz. Mit dem neuen synthetischen Zugang zu Ammin-Boraten eröffneten der Chemiker und sein Team eine neue Substanzklasse, von der noch nicht ansatzweise erforscht ist, welche Materialeigenschaften die Verbindungen haben können. „Der Clou bei der Grundlagenforschung ist es, überhaupt erst einmal die Möglichkeit zu haben, ein neues Gebiet synthetisch zu eröffnen. Jetzt heißt es dran bleiben und schauen, was wir in diesem Gebiet synthetisch machen können sowie die Eigenschaften der neuen Ammin-Borate zu untersuchen“, führt Huppertz aus. 

Am Anfang war es Zufall

Die Entdeckung der besonderen Verbindung war eine zufällige Beobachtung von Nina Ciaghi und Gerhard Sohr, Diplomandin und Dissertant am Institut für Allgemeine, Anorganische und Theoretische Chemie. „Sie haben am Ende ihrer Arbeiten festgestellt, dass sich seitlich am Tiegel eine Substanz befindet, die wir noch nicht kannten und die dort eigentlich gar nicht hätte sein dürfen“, so Huppertz. Daraufhin analysierten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die bislang unbekannte Substanz und versuchten, diese Zusammensetzung gezielt zu synthetisieren. „Dieser Schritt ist uns dann tatsächlich gelungen und wir haben festgestellt, dass es sich bei der ursprünglichen Reaktion um eine Nebenreaktion mit dem stickstoffhaltigen Tiegelmaterial gehandelt hat“, erläutert der Chemiker. Besonders ist, dass die neu hergestellte Verbindung unglaublich viel Ammoniak, ein unter Normalbedingungen flüchtiges Gas, enthält. Unter extrem hohen Druck und hoher Temperatur konnte die Verbindung dann von den Forscherinnen und Forschern stabilisiert werden. „4,7 Gigapascal ist ein enorm hoher Druck. Umgerechnet sind das 47000 bar, wobei im Vergleich ein normaler Schnellkochtopf knapp zwei bar an Druck aufbringen kann“, veranschaulicht Huppertz. Mit der Publikation der neuen Ammin-Borat-Struktur, die auch eine umfassende strukturelle und theoretische Charakterisierung durch K. Wurst, M. Schauperl und K. Liedl enthält, schafften es die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter die Top 5% der Publikationen in der „Angewandten Chemie“. Huppertz freut sich über diesen Erfolg: „Uns ist es gelungen eine gänzlich neue Substanzklasse auf dem Gebiet der Borate zu eröffnen, die zusätzlich das Molekül Ammoniak enthält. Das ist bisher die einzige Substanz die wir in diesem neuen Gebiet synthetisiert haben. Wenn man an die strukturelle Vielfalt der Borate denkt und überlegt, was durch diesen neuen synthetischen Zugang möglich ist, dann ist das eine Spielwiese, die noch unglaublich viele Möglichkeiten bietet.“

Publikation: Hochdrucksynthese von Cd(NH3)2[B3O5(NH3)]2: ein grundlegender Weg in die Substanzklasse der Amminborate. Gerhard Sohr, Nina Ciaghi, Michael Schauperl, Klaus Wurst, Klaus R. Liedl und Hubert Huppertz. Angewandte Chemie, am 27.04.2015