150 Jahre TUM – Geschichten zum Jubiläum 2018
Sandwich-Molekül
Eine neue Art der chemischen Bindung
Ernst Otto Fischer traut den Ergebnissen seiner Experimente 1952 zuerst selbst nicht recht – aber sie lassen keine andere Erklärung zu: Ein Eisenatom steckt wirklich in der Mitte zwischen zwei fünfeckigen Kohlenwasserstoff-Ringen, wie zwischen den Scheiben eines Sandwiches. Eigentlich völlig undenkbar. Ein Metallatom umgeben und „gehalten“ von zwei organischen Gruppierungen – ein derart aufgebautes Molekül hat die Wissenschaft bisher weder gesehen noch für möglich gehalten. Doch das muss der Grund für die enorme Stabilität dieser orangefarbenen Kristalle sein, die sich erst bei etwa 470 °C zersetzen.
Unter dem Namen „Ferrocen“ wird das Molekül bald bekannt. Für den Beweis seiner Struktur erhält Fischer 1973 den Nobelpreis – und dafür, dass er mit seinem Laborteam ungezählte ähnliche Moleküle hergestellt und erforscht hat. Mit der Entdeckung der Sandwich-Verbindung ändert sich das Verständnis, wie Atome miteinander verbunden sein können, grundlegend. Fischer teilt sich den Nobelpreis mit Geoffrey Wilkinson. Der Brite hat in Harvard fast zeitgleich ebenfalls die Struktur des Ferrocens entschlüsselt und ist damit wie der Münchner Professor Fischer ein Pionier der „Metallorganischen Chemie“.
Wilkinson gibt der merkwürdigen Verbindung ihren Spitznamen: molekulares Sandwich. Ein einprägsames Bild. Sogar das Nobelkomitee stellt das Ferrocen als ein Sandwich mit einer Kugel zwischen zwei Brotscheiben dar.
Ferrocen: Rezept für ein Molekül-Sandwich
Die Zubereitung ist einfach: Erhitzt man reines Eisen mit der Kohlenwasserstoff-Verbindung Cyclopentadien auf rund 300 °C, entsteht Ferrocen – oder chemisch korrekt: Dicyclopentadienyleisen (C10H10Fe). Doch was geschieht bei der Reaktion? Im ringförmigen Cyclopentadien-Molekül sind immer vier der fünf Kohlenstoffatome mit Doppelbindungen eng verbunden.
Jedes trägt außerdem ein Wasserstoffatom. Das fünfte aber trägt zwei Wasserstoffatome. Beim Erhitzen wird nun eines dieser zwei Wasserstoffatome freigesetzt, und beide Ringe nehmen das Eisenatom in ihre Mitte.
Was ist so verblüffend am Ferrocen?
Nach der damals geltenden Theorie sollte eigentlich jeder der beiden Cyclopentadienyl-Ringe des Ferrocens eine negative Ladung tragen – ein Elektron, das der Ring der Theorie zufolge dem Eisen entrissen haben müsste. Doch anders als erwartet teilen sich das Eisen und die beiden Ringe die Elektronen so perfekt, dass ein nach außen gänzlich ungeladenes, höchst stabiles Molekül entsteht.
Fischer entschlüsselt die seltsame Struktur der Eisenverbindung unter anderem mit Untersuchungen zum magnetischen Verhalten. Doch erst nach röntgenographischen Untersuchungen, die er zusammen mit seinem Kollegen Wolfgang Pfab durchführt, ist sich Fischer sicher. Sie veröffentlichen die Ergebnisse gemeinsam und versetzen die Fachwelt in Erstaunen.
Metallocene zeigen Wirkung – als Katalysatoren
Die „kostbare Freude, der reinen Erkenntnis im Experiment nachzugehen“ treibt Ernst Otto Fischer an, der von 1964 bis 1984 auf dem einst von Emil Erlenmeyer geführten Lehrstuhl der TUM forscht und lehrt. Doch obwohl Fischer sich vor allem der Grundlagenforschung verpflichtet sieht, ist sein Werk bedeutend für die Industrie.
Nach dem Muster des Ferrocens stellen seine Forschungsgruppe und das Labor von Wilkinson hunderte ähnlicher Sandwich-Moleküle her, „Metallocene“ genannt. Einige davon erweisen sich als wirkungsvolle Katalysatoren, vor allem für die Kunststoff-Herstellung. Sie beschleunigen chemische Reaktionen oder machen sie überhaupt erst möglich. Fischers Forschungen begründen damit den hervorragenden Ruf der TUM in der Katalyseforschung.
„Sie bereiteten das Sandwich nicht selbst zu, aber sie waren die ersten, die die eigenartige Natur der Verbindung und ihre konzeptionelle Bedeutung begriffen.“
Nobel-Komitee, 1973, zur Verleihung des Nobelpreises an Ernst Otto Fischer und Geoffrey Wilkinson
Disclaimer
Diese Geschichte erschien 2018 zum 150-jährigen Jubiläum der TUM auf einer inzwischen deaktivierten Jubiläumswebsite.
Text: Team Web Communications der TUM; Grafiken: KW NEUN
Literatur zur Geschichte der TUM
- Wolfgang A. Herrmann (Hrsg.), Martin Pabst/Margot Fuchs (Verf.), Technische Universität München - Geschichte eines Wissenschaftsunternehmens, 2 Bd., Berlin 2006.
Link zum Online-Katalog der Universitätsbibliothek - Wolfgang A. Herrmann, Winfried Nerdinger (Hrsg.), Die Technische Hochschule München im Nationalsozialismus, München 2018.
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Link zu Exemplaren in der Universitätsbibliothek - Irene Meissner, Bauten+Kunst. Technische Universität München 1868-2018, München 2018. Link zum Online-Katalog der Universitätsbibliothek
- Martin Pabst, Alumni der TUM. Prägende Gestalter aus der Technischen Universität München, München 2018. Link zum Online-Katalog der Universitätsbibliothek
- Martin Pabst, Köpfe der TUM. Geniale Entdecker und Erfinder aus der Technischen Universität München, München 2018. Link zum Online-Katalog der Universitätsbibliothek
- Brigitte Röthlein, Pioniere gestalten die Welt der Technik. 150 Jahre Forschung an der Technischen Universität München, München 2018. Link zum Online-Katalog der Universitätsbibliothek
Weitere Bücher und Informationen zur Geschichte der TUM
Dank
Wir danken allen, die uns beim Schreiben der Texte und bei den Visualisierungen unterstützt haben. Insbesondere den Autorinnen und Autoren der genannten Bücher, den Expertinnen und Experten an den Lehrstühlen, den Professoren und Professorinnen, den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern sowie den Pressereferentinnen und -referenten des Corporate Communications Centers der TUM. Dank gilt auch den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Architekturmuseums, des TUM Klinikums Deutsches Herzzentrum, des TUM Klinikums rechts der Isar, der European Space Agency (ESA) und allen anderen, die uns fachlich beraten und Bildmaterial zur Verfügung gestellt haben.
Die Jubiläumsgeschichten verfasste das Team Web Communications der TUM. Die Umsetzung der grafischen Inhalte übernahm die KW NEUN – Designagentur.