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Über die rote Farbe bei Zuckernachweisen

1,4-verknüpfte Disaccharide reagieren mit Ammoniak und ausgewählten Aminen zu einem roten Farbstoff. Diese nasschemischen Nachweise sind aussagekräftiger als die Fehling-Reaktion oder die Schiff’sche Probe und eignen sich daher besser für Schule und Ausbildung. Der Farbstoff ist allerdings instab...

Um Designprinzipien für Funktionsmaterialien zu entwickeln, verwendet Gregor Kieslich Koordinationspolymere als Materialplattform und macht sich ihre Freiheitsgrade zu nutze.Designprinzipien für Festkörper mit maßgeschneiderten Eigenschaften wären ein Meilenstein in der chemischen Materialforschung. Der chemische Parameterraum von Festkörpern mit molekularen Baueinheiten, etwa Koordinationspolymere, bietet hier vielversprechende Möglichkeiten. Um diesen Raum effizient zu nutzen, ist es erforderlich, Materialeigenschaften in ein Konzept einzuordnen. Aus dem Konzept ergeben sich dann Ideen für die Materialsynthese.<h2 type="main">Bekanntes als Vorbild</h2>Um ein Material wunschgemäß zu gestalten, liefern Festkörperchemie und -physik einen Ansatz: die Einteilung einer Materialstruktur in strukturelle und physikochemische Freiheitsgrade, die von äußeren Reizen aktiviert werden und die Responsivität des Materials dominieren. Lehrbuchbeispiele sind thermisch aktivierte, kollektive Polyederschwingungen in ZrW2O8, die bei erhöhter Temperatur zu einer Materialkontraktion führen, oder das Spin-Antwortverhalten FeII-basierter Metallkomplexe gegenüber Magnetfeldern als Grundlage für Spin Crossover.<h2 type="main">Unkonventionelle Freiheitsgrade</h2>Koordinationspolymere in Freiheitsgrade einzuteilen, bringt unkonventionelle Freiheitsgrade zum Vorschein und damit neue Möglichkeiten des Materialdesigns (<link href="#nadc20234133002-fig-0001">Abbildung, a) – unkonventionell, da diese in anorganischen Festkörpern nicht vorkommen. Beispiele sind Konformationsisomerie organischer Verbindungselemente als Grundlage für Polymorphismus,1) dynamische Reorientierungen molekularer Baueinheiten mit Einfluss auf die Phasenstabilität2) und translatorische Netzwerkverzerrungen mit über 20 Prozent Volumenänderung mit Folgen für mechanische Energiespeicher.3,4)<figure xml:id="nadc20234133002-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/3uJbb2C4QLm1yofbXWAw"><figcaption><label>Abb.1: </label>a) Überblick über einige Freiheitsgrade in Koordinationspolymeren: strukturelle (blau; translatorisch, konformationell und rotatorisch) und physikochemische (grün; redox- , Lewis- und photoaktiv). b,c) 2-D-Visualisierung unkonventioneller, struktureller Freiheitsgrade in molekularen Perowskiten. p2gm; pg: Beschreibungen von Wandmustergruppen (wallpaper groups), dem 2-D-Äquivalent zu Raumgruppen. Abbildung b inspiriert von Lit.7)</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Kombinieren</h2>Das Potenzial dieses Vorgehens liegt darin, Freiheitsgrade zu kombinieren: Wie bei neuen chemischen Elementen, die die Chemie bereichern, lassen sich Freiheitsgrade als Strukturelemente betrachten, die kombiniert neue Materialfunktionen hervorbringen.5) Die chemische Variabilität von Koordinationspolymeren bietet Möglichkeiten, neue Freiheitsgrade zu integrieren und deren Einfluss auf die Materialeigenschaften zu erforschen.<h2 type="main">Molekulare Perowskite und MOFs</h2>Molekulare ABX3-Perowskite wie [(C5H10)N]Cd(C2N3)36) sind für uns eine Modellplattform. Aufgrund der molekularen X-Anionen zeigen molekulare Perowskite zusätzlich zu den bekannten Glazer-Verkippungen neue Verkippungs- und Verschiebungsmuster der Oktaeder (Abbildung, b). Deren Kombination, zum Beispiel gesteuert über die A-Kationenchemie, ermöglicht es, die Inversionssymmetrie zu brechen und damit die Synthese von Piezo- und Ferroelektrika.6,7) Neben diesen unkonventionellen Freiheitsgraden ermöglicht die A-Kationenchemie, neue Freiheitsgrade einzubinden. So bringen zweiwertige A-Kationen mit separierten Ladungen wie [R3N(CH2)nNR3]2+ (n = 3,4; R = C3H7) neue geometrische Freiheitsgrade in das ReO3-artige 3-D-Netzwerk, die das Struktur-Antwortverhalten gegenüber Temperatur- und Druckänderungen in [R3N(CH2)nNR3]0.5Mn(C2N3) diktieren (Abbildung, c).8)Metallorganische Gerüstverbindungen (metal organic frameworks, MOFs) bieten mehrere Freiheitsgrade, die sich als Ansatzpunkt eignen, um Materialeigenschaften zu manipulieren – zum Beispiel die Lewis-aziden Koordinationsstellen im Porenraum von HKUST-1 (Cu3(btc)2, btc3– = 1,3,5-Benzoltricarbonat) zur postsynthetischen Verknüpfung einzelner Metallknotenpunkte.9) Diese beeinflussen die Gitterdynamiken und somit die thermischen Expansionskoeffizienten.10)Ein weiteres Beispiel ist die chemische Funktionalisierung organischer Verbindungselemente in [Cu2(DB-bdc)2dabco] (DB-bdc2– = 2,5-dibutoxy-1,4-terephthalat, dabco = 1,4-diazabicyclo[2.2.2]octan),3) die die Thermodynamik des druckinduzierten Phasenübergangs durch Konfigurationsentropiebeiträge der Seitenketten modifiziert.Zudem gibt es Beispiele, die sich als Verknüpfung von Freiheitsgraden verstehen lassen: schaltbare Katalysatoren basierend auf flexiblen MOFs11) und topologieabhängige Wechselwirkung photo- und redoxaktiver Verbindungselemente in MOFs.12)<h2 type="main">Interdisziplinäre Forschung</h2>Unsere Arbeit verknüpft anorganische Synthese mit Struktur- und Materialchemie. Motivation ist, Materialeigenschaften über die Synthesechemie zu kontrollieren. Gezielte Materialsynthese ist eng geknüpft an die Weiterentwicklung der Strukturanalytik13) – nur mit dieser Kombination lassen sich Freiheitsgrade integrieren, beschreiben und ihr Einfluss auf die Materialeigenschaften erforschen. Ebenso wichtig wird es sein, Konzepte und Techniken, die aus Arbeiten an Koordinationspolymeren und MOFs entstehen, auf verwandte Materialklassen zu übertragen. Das langfristige Ziel ist, Struktur-Eigenschaftsbeziehungen in Festkörpern zu rationalisieren und so die Grundlage für neue Materialien zu schaffen.<h2 type="main">Drei Fragen an den FCI-Dozentenpreisträger: Gregor Kieslich</h2>Wie sieht der für Sie ideale Morgen aus?Er beginnt früh, sehr früh, in Stille, mit einer Tasse schwarzem Kaffee und einer (digitalisierten) Tageszeitung in der Kemenate.Was hat Sie bewogen, Chemie zu studieren?Die Neugier nach dem „Woher“. Materialchemie, Biochemie oder Pharmazie – Chemie erklärt, begeistert und ermöglicht es, die eigene Kreativität umzusetzen.Was ist Ihr größtes Privileg als Wissenschaftler?Zusammenarbeit und Austausch mit kreativen, klugen Köpfen – jung wie alt – und die Möglichkeit, aktiv an der (Aus-)Bildung der kommenden Generationen mitwirken zu können.Gregor Kieslich, Jahrgang 1986, ist seit November 2016 Gruppenleiter an der TU München und hat im September 2022 in anorganischer Chemie habilitiert. Er promovierte an der Universität Mainz, woran er einen Postdoc-Aufenthalt an der Universität Cambridge anschloss.<img alt="image" src="https://media.graphassets.com/HuhaSlSUSamUVKKHbfWq"><ul class="references" style="numbered" cited="no" xml:id="nadc20234133002-bibl-0001"><li xml:id="nadc20234133002-bib-0001">1 S. Burger, S. Grover, K. T. Butler et al., Mater. Horiz. 2021, 8, 2444</li><li xml:id="nadc20234133002-bib-0002">2 G. Kieslich, J. M. Skelton, J. Armstrong et al., Chem. Mater. 2018, 30, 8782</li><li xml:id="nadc20234133002-bib-0003">3 P. Vervoorts, J. Keupp, A. Schneemann et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 787</li><li xml:id="nadc20234133002-bib-0004">4 K. T. Butler, P. Vervoorts, M. G. Ehrenreich et al., Chem. Mater. 2019, 31, 8366</li><li xml:id="nadc20234133002-bib-0005">5 H. L. B. Boström, A. L. Goodwin, Acc. Chem. Res. 2021, 54, 1288</li><li xml:id="nadc20234133002-bib-0006">6 S. Burger, S. Kronawitter, H. L. B. Boström, J. K. Zaręba, G. Kieslich, Dalton Trans. 2020, 49, 10740</li><li xml:id="nadc20234133002-bib-0007">7 H. L. B. Boström, M. S. Senn, A. L. Goodwin, Nat. Commun. 2018, 9, 2380</li><li xml:id="nadc20234133002-bib-0008">8 S. Burger, K. Hemmer, D. C. Mayer et al., Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2205343</li><li xml:id="nadc20234133002-bib-0009">9 C. Schneider, D. Bodesheim, J. Keupp, R. Schmid, G. Kieslich, Nat. Commun. 2019, 10, 4921</li><li xml:id="nadc20234133002-bib-0010">10 C. Schneider, D. Bodesheim, M. G. Ehrenreich et al., J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 10504</li><li xml:id="nadc20234133002-bib-0011">11 S. Yuan, L. Zou, H. Li et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 10776</li><li xml:id="nadc20234133002-bib-0012">12 a) D. C. Mayer, A. Manzi, R. Medishettyet al., J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 11594; b) D. Ukaj, H. Bunzen, J. Berger, G. Kieslich, R. A. Fischer, Chem. Mater. 2021, 33, 2532</li><li xml:id="nadc20234133002-bib-0013">13 a) C. Kaußler, G. Kieslich, J. Appl. Cryst. 2021, 54, 306; b) S. A. Hallweger, C. Kaußler, G. Kieslich, Phys. Chem. Chem. Phys. 2022, 24, 9196</li></ul>

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