Exotische organische VerbindungenVerbindungen

Alexander Zech | Tobias Setzer5. November 2009

• Abb1: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/1/13/Catenane_Crystal_Structure_ChemComm_page634_1991.jpg (Stand: 04.11.2009)

• Abb1 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/01/Rotaxane_Crystal_Structure_EurJOrgChem_page2565_year1998.jpg (Stand: 04.11.2009)

II. Gliederung

I. Supramolekulare Chemie – ein Überblick

II. Rotaxane

III. Catenane

IV. Borromäische Ringe

V. Molekulare Knoten

VI. Resümee

VII. Quellenverzeichnis

I. Supramolekulare Chemie – ein Überblick

Chemie der nichtkovalenten, intermolekularen Wechselwirkungen

• vgl. J.W. Steed, D.R. Turner, K.J. Wallace: Core Concepts in Supramolecular Chemistry and Nanochemistry, John Wiley & Sons, Chicester 2007, S.17.

I. Supramolekulare Chemie – ein Überblick

Chemie der nichtkovalenten, intermolekularen Wechselwirkungen

Wirt-Gast-Chemie Selbstassemblierung

• Einschluss kleiner Gast-Moleküle in viel größere

• Spontane und reversible Zusammenlagerung von 2 Moleküle in viel größere

Wirt-Moleküle über nicht-kovalente WW

• Enzym-Substrat-Komplexe

Zusammenlagerung von 2 oder mehr Komponenten zu einer größeren strukturellen Einheit (nicht-kov. WW!)

• Rotaxane, Catenane, molek. Borromäische Ringe, molek. Knoten

II. Rotaxane

=

[1]

[2]

=

[1] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/2/2b/Rotaxane.jpg (Stand: 04.11.2009)[2] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5d/Rotaxane_Crystal_Structure_ChemComm_page493_2001_commons.jpg (Stand: 04.11.2009)

II. Rotaxane

Welche Arten von Rotaxanen gibt es?

Rotaxane

Semirotaxane

Pseudorotaxane

II. Rotaxane

[1]

R

[1] H.R. Christen, F Vögtle, Organische Chemie – Von den Grundlagen zur Forschung, 1994, S.254

II. Rotaxane

Wie werden Rotaxane synthetisiert?

4 Hauptsynthesewege:

• „threading“ (einfädeln)

• „capping“ (deckeln)• „capping“ (deckeln)

• „slipping“ (schlüpfen)

• „clipping“ (klammern)

Templatgestützt:

• „active template“

II. Rotaxane

� threading:

II. Rotaxane

� threading:

[1]

[1] J. W. Steed, Core Concepts in Supramolecular Chemistry and Nanochemistry, 2007, S.139

II. Rotaxane

� threading:

[1]

[1] J. W. Steed, Core Concepts in Supramolecular Chemistry and Nanochemistry, 2007, S.139

II. Rotaxane

Wie werden Rotaxane synthetisiert?

4 Hauptsynthesewege:

• „threading“ (einfädeln)

• „capping“ (deckeln)• „capping“ (deckeln)

• „slipping“ (schlüpfen)

• „clipping“ (klammern)

Templatgestützt:

• „active template“

II. Rotaxane

� capping:

II. Rotaxane

� capping:

[1]

[1] C. J. Easton, S. F. Lincoln, et al., Synthesis and conformational analysis of an -cyclodextrin[2]-rotaxane, J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1, 1999, S. 2501–2506

II. Rotaxane

Wie werden Rotaxane synthetisiert?

4 Hauptsynthesewege:

• „threading“ (einfädeln)

• „capping“ (deckeln)• „capping“ (deckeln)

• „slipping“ (schlüpfen)

• „clipping“ (klammern)

Templatgestützt :

• „active template“

II. Rotaxane

� slipping:

[1]

[1] http://www.thechemblog.com/wp-content/uploads/2007/11/thermodynamicsofrotaxanes.png (Stand: 04.11.2009)[2] http://organik.chemie.uni-bonn.de/ak_vo/movies/slipping.avi (Stand: 04.11.2009)

[2]

II. Rotaxane

Wie werden Rotaxane synthetisiert?

4 Hauptsynthesewege:

• „threading“ (einfädeln)

• „capping“ (deckeln)• „capping“ (deckeln)

• „slipping“ (schlüpfen)

• „clipping“ (klammern)

Templatgestützt :

• „active template“

II. Rotaxane

� clipping:

II. Rotaxane

� clipping: [1]

[1] http://www.chemie.uni-kl.de/forschung/oc/kubik/img/oc9_cat_23.gif (Stand: 04.11.2009)

II. Rotaxane

Wie werden Rotaxane synthetisiert?

4 Hauptsynthesewege:

• „threading“ (einfädeln)

• „capping“ (deckeln)• „capping“ (deckeln)

• „slipping“ (schlüpfen)

• „clipping“ (klammern)

Templatgestützt :

• „active template“

II. Rotaxane

� active template:

II. Rotaxane

� active template:

II. Rotaxane

� active template:

II. Rotaxane

Wofür werden Rotaxane verwendet?

•Molekularelektronik

� molekulares „shuttle“� molekulare Schalter

[1]

[2]

[1] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/30/Rot.ogg(Stand: 04.11.2009)[2] http://www.chemie.uni-kl.de/forschung/oc/kubik/img/oc9_cat_24.gif (Stand: 04.11.2009)

II. Rotaxane

� XOR-Funktion:

[1]

OO

O O

O

O

O

Input1 Input2 Output

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 0

[1] J. W. Steed, Core Concepts in Supramolecular Chemistry and Nanochemistry, 2007, S.247

OO

O

O

O

III. Catenane

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/thumb/1/13/Catenane_Crystal_Structure_ChemComm_page634_1991.jpg/663px-Catenane_Crystal_Structure_ChemComm_page634_1991.jpg

III. Catenane

Allgemeine Merkmale

• Kettenförmig Verknüpfung von Makrozyklen

• Nomenklatur:

• (a) 2-crossing-[2]-catenane

• (b) 4-crossing-[2]-catenane

J.W. Steed, D.R. Turner, K.J. Wallace: Core Concepts in Supramolecular Chemistry and Nanochemistry, John Wiley & Sons, Chicester 2007, S.144

• (b) 4-crossing-[2]-catenane

• [n]-Catenane (allgemein)

III. Catenane

Strukturelle Variationen

• Polycatenan

• [n]-Polycatenan

J.W. Steed, D.R. Turner, K.J. Wallace: Core Concepts in Supramolecular Chemistry and Nanochemistry, John Wiley & Sons, Chicester 2007, S.144

• Molecular Necklace („Halsband“)

• [4]-MN

• Brezelan

• Kovalente Verbrückung

III. Catenane

Topologische Eigenschaften

• Topologische Isomere

J.W. Steed, D.R. Turner, K.J. Wallace: Core Concepts in Supramolecular Chemistry and Nanochemistry, John Wiley & Sons, Chicester 2007, S.144A. Sobanski, R. Schmieder, F. Vögtle: Topologische Stereochemie und Chiralität, Chemie in unserer Zeit 2000, 3, 160-169

• Topologische Enantiomere

III. Catenane

Möglichkeiten der Synthese

• Cu(I)-Liganden nehmen Position ein… (a)

• … für den anschließender Ringschluss (b)

J.W. Steed, D.R. Turner, K.J. Wallace: Core Concepts in Supramolecular Chemistry and Nanochemistry, John Wiley & Sons, Chicester 2007, S.146

III. Catenane

Möglichkeiten der Synthese

C.Dietrich-Buchecker, B.X. Colasson, J.P. Sauvage: Molecular Knots, Top. Curr. Chem. 2005, 249, S. 268ff.

III. Catenane

Möglichkeiten der Synthese

C.Dietrich-Buchecker, B.X. Colasson, J.P. Sauvage: Molecular Knots, Top. Curr. Chem. 2005, 249, S. 268ff.

III. Catenane

Möglichkeiten der Synthese

• Wasserstoffbrückenbindung – es geht auch ohne Übergangsmetall

J.W. Steed, D.R. Turner, K.J. Wallace: Core Concepts in Supramolecular Chemistry and Nanochemistry, John Wiley & Sons, Chicester 2007, S.146

III. Catenane

Anwendung

F. Aricó, J.D. Badjic, S.J. Cantrill, A.H. Flood, K.C.-F. Leung, Yi Liu, J.F. Stoddart: Templated Synthesis of Interlocked Molecules, Top. Curr. Chem. 2005, 249, 245ff.

IV. Molekulare Borromäische Ringe

- math. komplexe Konfiguration

- symbolische Bedeutung

[1]

[2]

[1] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1b/Borromeanrings.png (Stand: 01.11.2009)[2] http://www.liv.ac.uk/~spmr02/rings/crest.gif (Stand: 04.11.2009)

IV. Molekulare Borromäische Ringe

[2]

[1]

6 x 5 = 30 (Zink – N)3 x 4 = 12 (π-π-WW)

[1] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/thumb/5/5b/Molecular_Borromean_Rings_Atwood_Stoddart.jpg/556px-Molecular_Borromean_Rings_Atwood_Stoddart.jpg[2] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/a/a6/Molecular_Borromean_Ring.png (Stand: 01.11.2009, beide)

IV. Molekulare Borromäische Ringe

� Synthese:[1]

[1] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/f/fe/Borromean_synthesis.png (Stand: 01.11.2009)

IV. Molekulare Borromäische Ringe

Anwendung:

•molekul. Borromäischer Ring aus DNA

�Untersuchung der Aktivität von Topoisomerasen

• Oberflächen aus Polymer-Maschen

[1] http://www.liv.ac.uk/~spmr02/rings/network5.gif (Stand: 01.11.2009)

[1]

V. Molekulare Knoten

V. Molekulare Knoten

Allgemeine Merkmale

• Geschlossene dreidimensionaleSchleife

• Keine planare Darstellung möglich• Keine planare Darstellung möglich

• Bekanntester und synthetisch realisierter Knoten: Kleeblattknoten

V. Molekulare Knoten

Topologische Eigenschaften

Topologische Enantiomere

Topologische Isomere

J.W. Steed, D.R. Turner, K.J. Wallace: Core Concepts in Supramolecular Chemistry and Nanochemistry, John Wiley & Sons, Chicester 2007, S.153

V. Molekulare Knoten

Möglichkeiten der Synthese

C.Dietrich-Buchecker, B.X. Colasson, J.P. Sauvage: Molecular Knots, Top. Curr. Chem. 2005, 249, S. 269

V. Molekulare Knoten

Möglichkeiten der Synthese

C.Dietrich-Buchecker, B.X. Colasson, J.P. Sauvage: Molecular Knots, Top. Curr. Chem. 2005, 249, S. 270

V. Molekulare Knoten

Möglichkeiten der Synthese

C.Dietrich-Buchecker, B.X. Colasson, J.P. Sauvage: Molecular Knots, Top. Curr. Chem. 2005, 249, S. 270

V. Molekulare Knoten

Möglichkeiten der Synthese

C.Dietrich-Buchecker, B.X. Colasson, J.P. Sauvage: Molecular Knots, Top. Curr. Chem. 2005, 249, S. 270

V. Resümee

� strukturelle Einheiten nach geometrischem Vorbild

� Synthesen

�Wirklicher Nutzen aus den Produkten

VI. Quellen

� H.R. Christen, F Vögtle, Organische Chemie – Von den Grundlagen zur Forschung III, 1994

� F. Vögtle: Supramolekulare Chemie. Eine Einführung, 2.Aufl., Teubner Verlag, Stuttgart, 1992

� J.W. Steed, D.R. Turner, K.J. Wallace: Core Concepts in Supramolecular Chemistry and

Nanochemistry, John Wiley & Sons, Chicester 2007Nanochemistry, John Wiley & Sons, Chicester 2007

�A. Sobanski, R. Schmieder, F. Vögtle: Topologische Stereochemie und Chiralität, Chemie in unserer Zeit 2000, 3, 160-169

�C. J. Easton, S. F. Lincoln, et al., Synthesis and conformational analysis of an -

cyclodextrin[2]-rotaxane, J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1, 1999, S. 2501–2506

�C.Dietrich-Buchecker, B.X. Colasson, J.P. Sauvage: Molecular Knots, Top. Curr. Chem. 2005, 249, S. 261-283

Vielen Dank für eure

Aufmerksamkeit!