Supramolekulare Chemie: Eine Einführung

584 Pages·1992·19.532 MB·German

by  Prof. Dr. rer. nat. Fritz Vögtle (auth.)

Teubner Studienbücher
Chemie
Aurich/Rinze: Chemisches Praktikum für Mediziner
236 Seiten. DM 27,80
Breitmaier: Vom NMR-Spektrum zur Strukturformel organischer Verbindungen
Ein kurzes Praktikum der NMR-Spektroskopie
2. Auf!. 261 Seiten. DM 39,80
Elschenbroich/Salzer: Organometallchemie
Eine kurze Einführung. 3. Aufl. 562 Seiten. DM 46,-
Engelke: Aufbau der Moleküle
Eine Einführung. 264 Seiten. DM 38,-
Fellenberg: Chemie der Umweltbelastung
258 Seiten. DM 32,-
Hauptmann: Reaktion und Mechanismus in der organischen Chemie
227 Seiten. DM 28,80
Hennig/Rehorek: Photochemische und photokatalytische Reaktionen
von Koordinationsverbindungen
164 Seiten, DM 24,80
Kaim/Schwederskl Bioanorganische Chemie
zur Funktion chemischer Elemente in Lebensprozessen
462 Seiten, DM 44,80
Kunz: Molecular Modelling für Anwender
Anwendung von Kraftfeld-und MO-Methoden in der organischen Chemie
243 Seiten, DM 29,80
Levlne/Bernstein: Molekulare Reaktionsdynamik
607 Seiten. DM 59,80
Müller: Anorganische Strukturchemie
320 Seiten, DM 36,-
Primas/Müller-Herold: Elementare Quantenchemie
2, Auf!. 398 Seiten, DM 39,-
Vagtle: Cyclophan-Chemie. Synthesen, Strukturen, Reaktionen
Einführung und Überblick
595 Seiten, DM 48,-
Vagtle: Reizvolle Moleküle der Organischen Chemie
402 Seiten. DM 39,80 '
Vagtle: Supramolekulare Chemie. Eine Einfuhrung
2. Aufl. 580 Seiten, DM 49,80
Preisanderungen vorbehalten.
B. G. Teubner Stuttgart
Teubner Studienbücher Chemie
F. Vögtle
Supramolekulare Chemie
Teubner Studienbücher Chemie
Herausgegeben von
Prof. Dr. rer. nat. Christoph Elschenbroich, Marburg
Prof. Dr. rer. nat. Friedrich Hensel, Marburg
Prof. Dr. phil. Henning Hopf, Braunschweig
Die Studienbücher der Reihe Chemie sollen in Form einzelner
Bausteine grundlegende und weiterführende Themen aus allen
Gebieten der Chemie umfassen. Sie streben nicht die Breite eines
Lehrbuchs oder einer umfangreichen Monographie an, sondern
sollen den Studenten der Chemie - aber auch den bereits im
Berufsleben stehenden Chemiker - kompetent in aktuelle und sich
in rascher Entwicklung befindende Gebiete der Chemie einführen.
Die Bücher sind zum Gebrauch neben der Vorlesung, aber auch -
da sie häufig auf Vorlesungsmanuskripten beruhen - anstelle von
Vorlesungen geeignet. Es wird angestrebt, im Laufe der Zeit alle
Bereiche der Chemie in derartigen Lernbüchern vorzustellen. Die
Reihe richtet sich auch an Studenten anderer Naturwissenschaf
ten, die an einer exemplarischen Darstellung der Chemie inter
essiert sind.
Supramolekulare Chemie
Eine Einführung
Von Prof. Dr. rer: nat. Fritz Vögtle
unter Mitarbeit von F. Alfter, S. Grammenudi, V. Hautzel,
M. Hecker, R. Hochberg, P. Knops, W. Orlia, A. Ostrowicki,
K. Saitmacher, eh. Seel, P. Stutte, E. Weber
Universität Bonn
2., überarbeitete und erweiterte Auflage
Mit zahlreichen Abbildungen
ES
B. G. Teubner Stuttgart 1992
Prof. Dr. rer. nat. Fritz Vögtle
Geboren 1939 in Ehingen/Donau. Studium der Chemie in Freiburg und
Chemie und Medizin in Heidelberg. 1965 Promotion (bei Prof. Dr. Dr. H. A.
Staab) mit der Arbeit "Valenzisomerisierung doppelter Schiffscher
Basen". 1969 Habilitation mit dem Thema "Sterische Wechselwirkungen
im Innern cyclischer.Verbindungen". 1969 Professur an der Universität
Würzburg. Seit 1975 C4-Professor und Direktor am Institut für Organische
Chemie und Biochemie der Universität Bonn.
Das Umschlagbild (A. Ostrowicki, F. Vögtle) zeigt ein Kugel-Stab-Modell
eines ternären (aus drei Komponenten zusammengesetzten) Komplexes
("Supramolekül, Supermolekül, Übermolekül") aus y-Cyclodextrin (als
Wirthohlraum), [12]Krone-4 ("als Zwischenwirt" für das Lithium-Ion und
zugleich Gast des Cyclodextrins) und einem Lithium-Ion als Gast im
Zentrum der konzentrischen Ringe. Näheres im Abschn. 4.2.
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Vögtle, Fritz:
Supramolekulare Chemie: eine Einführung / von Fritz Vögtle.
Unter Mitarb. von F. Alfter ... - 2., überarb. und erw. Aufl. -
Stuttgart : Teubner, 1992
(Teubner-Studienbücher : Chemie)
ISBN 978-3-519-13502-9 ISBN 978-3-322-94013-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-94013-1
Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlieh geschützt.
Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechts
gesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das
gilt besonders für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen
und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
© B. G. Teubner Stuttgart 1992
Gesamtherstellung: Druckhaus Beltz, Hemsbach/Bergstraße
Umschlaggestaltung: M. Koch, Reutlingen
Vorwort zur 1. Auflage
Dieses Buch ist aus Vorlesungen an der Universität Bonn entstanden, die
den Titel "Moderne Methoden, Reaktionen und Strukturen in der Organi
schen Chemie", "Neuere Ergebnisse und Probleme der Organischen Chemie",
"Neue Moleküle und Reaktionen der Organischen, Bioorganischen und Su
pramolekularen Chemie" trugen.
Das Buch war zunächst so angelegt, daß auf die Erörterung "Reizvoller
Moleküle der Organischen Chemie" im ersten Teil ein zweiter, ebenso lan
ger Teil über die Aggregation "von Molekülen zu supramolekularen Struktu
ren" folgte. Da der Supramolekularen Chemie nach der Verleihung der
Chemie-Nobelpreise 1987 ein größerer Raum zugestanden werden mußte, der
gesamte Stoff aber den Rahmen der vorliegenden Studienbuch-Reihe ge
sprengt hätte, wurde er geteilt, so daß nun zwei annähernd gleich umfang
reiche und aufeinander abgestimmte Bände mit den Titeln -Reizvolle Mole
küle der Organischen Chemie-und "Supramolekulare Chemie - Eine Einfüh
rung-vorliegen werden. Leider mußten wegen der Beschränkung der Seiten
zahl weitere vorbereitete Abschnitte entfallen.
Die Behandlung des Phthalocyanins am Ende des Bandes "Reizvolle
Moleküle der Organischen Chemie" leitet zum vorliegenden Band
"Supramolekulare Chemie" über, während das Bipyridin am Anfang der
"Supramolekularen Chemie" die Molekül-Thematik des zugehörigen Bandes
"Reizvolle Moleküle ... " aufgreift und zu den supramolekularen Strukturen
weiterentwickelt.
Während im Band "Reizvolle Moleküle der Organischen Chemie" das
einzelne Molekül im Vordergrund der Betrachtung steht, wird im vorliegen
den das Zusammenwirken mehrerer Moleküle, also die Eigenschaften, Funk
tionen und Anwendungen von Molekülaggregaten und Molekülverbänden,
erörtert. Molekular~ Erkennungsphänomene, d.h. gezielte Wechselwirkungen
zwischen Wirt- und Gastmolekülen, werden an vielen Stellen detailliert be
handelt.
Im vorliegenden Band werden demnach supramolekulare Strukturen her
ausgegriffen und im Zusammenhang mit dem Umfeld des Gebiets erörtert,
wobei die Diskussi.on bis in neueste Forschungsentwicklungen der Primärlite
ratur ausgedehnt wird.
Das Buch besteht aus vergleichsweise kurzen, in sich nahezu geschlosse
nen Abschnitten über supramolekulare Strukturen. Am Beispiel einer
Anzahl von unterschiedlichen "Aggregaten" wird von verschiedenen
4 Vorwort
Ausgangspunkten in deren Chemie eingeführt. Dabei wird der
interdisziplinäre Charakter dieses Bereiches der Chemie, der enge
Zusammenhang mit Physik, Physikalischer Chemie und Biochemie (·llUJterial
sciences· und ·life sciences·) deutlich.
Diese Einführung in supramolekulare Strukturen kann nicht erschöpfend
sein. Über die Auswahl der Beispiele läßt sich diskutieren, der Vorrat ist
fast unbegrenzt. Molekülaggregate mit weitgehend biochemischen Aspekten
(z.B. Nucleinsäuren) sowie Polymere konnten nicht aufgenommen werden;
auch das große Gebiet der Membranen hätte den Rahmen gesprengt. Ent
sprechende Fragestellungen werden an einigen Stellen lediglich tangiert.
Nicht jedes Thema ist gleich breit und tief erörtert. Schließlich gibt es
zu den verschiedenen Abschnitten mehr oder weniger viel und mehr oder
weniger wichtige Literatur. Die Zitate wurden je nach vorliegenden Fakten
unterschiedlich ausführlich gehalten: Wenn neue re Übersichten existieren,
wurde in der Regel auf zahlreiche Originalzitate verzichtet. In Fällen, in
denen keine neue ren Übersichten vorliegen, sondern Originalliteratur zu
sammengestellt werden mußte, wurde diese z.T. detaillierter angegeben. In
den vergleichsweise neuen Gebieten Kronenether, Flüssigkristalle, Clathrate,
Wirt/Gast-Chemie, Organische Schalter, sind reichlich Originalzitate ange
führt.
Die Supramolelrulare Chemie hat sich so schnell entwickelt, daß es noch
Mühe macht, sie in Abschnitte einzuteilen, sie exakt zu definieren und zu
unterteilen. Das Buch beginnt mit einfachen Komplexbildnern und endet mit
komplexen ·Supramolekülen· und ·Oberstrukturen· (Bezeichnungen wie
"Supermolekül", "Superkomplex", "Superorbital", wurden weitgehend vermie
den).
Die einführenden Teile des Buches können ohne große Vorkenntnisse
verstanden werden. Mit Vordiplom-Wissen sind weite Teile lesbar. Fortge
schrittenen Studenten und Diplomchemikern bietet es in den forschungsrele
vanten Teilen die Möglichkeit, neue Entwicklungen und Methoden zu erfah
ren und mit Hilfe der zitierten Literatur Kenntnisse zu vertiefen.
Eine Besonderheit sind die zahlreichen für diesen Band entworfenen Ste
reobilder supramolekularer Strukturen, denen in der Regel Ergebnisse von
Röntgen-Kristallstrukturanalysen zugrundeliegen. Eine ähnliche, unmittelbare
Vergleiche zulassende Sammlung von Raumstrukturen gibt es bisher nicht,
und zudem sind diese Bilder oft eine ästhetische Augenweide.
Vorwort 5
Gedankt sei den Mitarbeitern, die an diesem Buch engagiert mitgeholfen
haben. Außer den auf der Titelseite erwähnten Mitarbeitern und Prof. Dr.
E.Weber haben zeitweilig beigetragen: R.Baginski, S.Billen, J.Dohm, W.Jawo
rek, H.-W.Losensky, W.M.Müller, L.Rossa, ASehröder, H.-P.Sehwenzfeier,
AWallon, D.Worseh. Dem Teubner-Verlag, insbesondere Herrn Dr. P'Spuh
leT, bin ich für die harmonische Betreuung dankbar.
Bonn, im Frühjahr 1989 F. Vögtle
Vorwort zur 2. Auflage
Außer einer Reihe von Korrekturen und Ergänzungen wurden vom Autor
einige völlig neue Kapitel geschrieben: Sensoren, NLO-Materialien, Lang
muir-Blodgett-Filme, Calixarene, Zaun- und überbrückte Porphyrine als
Häm- und Enzyrnmodelle. Sie runden das Erscheinungsbild der "Supra
molekularen Chemie" als Forschungsthema und im Studienbuch ab. Auf die
Beschreibung chiroselektiver Chromatographie-Materialien wurde verzichtet,
da es auf diesem eigenständigen Gebiet nicht an Literatur mangelt.
Bei dieser Gelegenheit waren auch drucktechnische Verbesserungen wie
Blocksatz, neue Schrifttypen, Umstellung der - stark ergänzten - Literatur
zitate, genauere Kopfzeilen im Literaturverzeichnis, möglich. Um den Text
fluß nicht zu stören, wurden alle Literaturhinweise bewußt am Ende des
Bands belassen.
Mein Dank gilt Prof.Dr.J.F.Stoddart und Prof.Dr.EWeber für das Zurver
fügungsteIlen von Zeichnungen zu Catenanen und Clathraten sowie den Mit
arbeitern G.Brodesser, M.Frank, R.Güther, W.Josten, D.Karbaeh, H.-P.Mi
eh eIs, J.Sehmitz, M.Sehönberg, ASehröder, J.E.Sehulz, P.-M.windseheif für
Computer-Zeichnungen, R.Berscheid, J.Boettcher, M.Frank, R.Friederich,
R.Güther, D.Karbach, W.-M.Müller, J.Sehulz und Ch.Seel für Hilfestellungen.
Bonn, im Herbst 1991 F.Vögtle
Inhalts-Verzeichnis
Vorwort 3
1 Supramolekulare, Bioorganische und
Bioanorganische Chemie 15
1.1 Einleitung 15
1.2 Supramolekulare, Bioorganische, Bioanorganische und
Biomimetische Chemie 15
1.3 Von molekularen Materialien zu supramolekularen
Strukturen 17
2 Wirt/Gast-Chemie mit Kationen und Anionen 23
2.1 Bipyridin 23
2.1.1 Einleitung 23
2.1.2 Zur Synthese von 2,2'-Bipyridin 26
2.1.3 Röntgen-Kristallstruktur von 2,2'-Bipyridin 26
2.1.4 Reaktionen des 2,2' -Bi pyridins 27
2.1.5 Reaktionen substituierter 2,2' -Bi pyridine 30
2.1.6 Ligan~en mit 2,2'-Bipyridin als Donorzentrum:
Historisches 31
2.1.7 Komplexierungsvermögen des 2,2'-Bipyridins und
seiner Abkömmlinge 32
2.1.7.1 Der Chelateffekt 32
2.1.7.2 Die Natur der Bindung 34
2.1.7.3 Basizität des Bipyridins 35
2.1.7.4 Stabilitätskonstanten von Bipyridin-Komplexen 36
2.1.8 Spektroskopie von Bipyridin-Komplexen 36
2.1.9 Neuere Entwicklungen 37
2.2 Kronenether, Cryptanden, Podanden, Spheranden 45
2.2.1 Kronenether und Analoge:
Cryptanden, Podanden, Spheranden 45
2.2.1.1 Nomenklatur der Kronen- (und verwandter)
Verbindungen 47
8 Inhalts-Verzeichnis
2.2.1.2 Wichtige Kronenether und Neutralliganden 49
2.2.1.3 Eigenschaften der Kronenverbindungen 57
2.2.1.4 Anwendung von Kronenverbindungen als
Synthese-Reagentien 73
2.2.1.5 Anwendungen von Kronenverbindungen in der
Chemischen Analyse 84
2.2.1.6 Biologische und weitere Anwendungen 96
2.2.2 Mehrkernige Wirt/Gast-Komplexe 97
2.2.2.1 Zweikernige Makromonocyclen 99
2.2.2.2 Makrobicyclische zweikernige Cryptate 101
2.2.2.3 Lateral makro bicyclische Chelatbildner 103
2.2.2.4 Binucleare Cryptate von zylindrischen
makrotricyclischen Liganden 104
2.2.2.5 Speleanden 107
2.2.2.6 Photoaktive Cryptanden 109
2.3 Siderophore 111
2.3.1 Einleitung: Enterobactin und natürliche
Eisenkomplexierung 111
2.3.2 Isolierung von Enterobactin 115
2.3.3 Synthetische Siderophor-Analoge 120
2.3.4 Eigenschaften 122
2.3.5 Weitere Liganden vom Siderophor-Typ 128
2.3.5.1 Liganden mit Hydroxamsäure-Donoren 128
2.3.5.2 Makrobicyclische "Sideranden" 133
2.3.5.3 Achtzähnige Liganden mit vier Brenzcatechin
Donoren 135
2.3.5.4 Tunichrome 136
2.3.6 Anwendungen von Liganden des Brenzcatechin-Typs 137
2.3.7 Schlußfolgerung: Die Sonderstellung des Enterobactins
und makro bi cyclischer "Sideranden" 138
2.4 n-Spheranden 140
2.4.1 Cycloalken-Silber-Komplexe 140
2.4.2 Benzenringe als IT-Donoren zur Kation-Komplexierung 142
2.4.2.1 1T-Prismand 142
2.4.2.2 Deltaphan 146
2.4.2.3 Ga'" -Komplex des [2.2.21Paracyclophans 148