Forschung in der Fachgruppe Chemie
Mit den mehr als 17 Professuren und derzeit 3 Nachwuchsgruppen werden in Bonn eine Vielzahl von Themen von der Grundlagenforschung bis zur angewandten und nachhaltigen Chemie abgedeckt. Dabei spielen zahlreiche fächerübergreifende Schwerpunkte eine Rolle.
So ist die Theoretische Chemie (Grimme, Kirchner, Bredow) geprägt von der ausgeprägten Methodenentwicklung bis hin zur Behandlung von komplexen Systemen. Dabei entwickelt die Gruppe um Grimme sowohl die rechnerisch aufwändigen Methoden der Wellenfunktionstheorie als auch dispersions-korrigierte Dichtefunktionale, tight-binding MO-Verfahren und Kraftfelder gekoppelt mit speziellen Suchalgorithmen und Prozessen. Der Arbeitskreis Kirchner entwickelt Verfahren zur Beschreibung und Analyse von komplexen Systemen, die in der nachhaltigen Chemie, z.B. ionische Flüssigkeiten oder tiefschmelzende Lösungsmittelgemische oder etwa Batterieforschung, beheimatet sind. Diese werden neben anderen Festkörper-relevanten Themen auch im Arbeitskreis Bredow mittels der Theoretischen Festkörperchemie untersucht.
In der Organischen Chemie werden zielstrukturorientierte (Dickschat, Höger, Lützen, Menche, von Krbek) und methodenorientierte Synthesen (Bunescu, Gansäuer, Menche) erforscht. Dabei steht einerseits die nachhaltige Chemie (Bunescu, Gansäuer, Dickschat) in Form der Entwicklung von katalytischen (Radikal-)Reaktionen, der Elektrochemie und der Aufklärung der ökologischen Rolle von flüchtigen organischen Verbindungen im Mittelpunkt. Daneben untersuchen Forschende die für Bonn traditionelle Richtung der Supramolekularen Chemie (Höger, Lützen, von Krbek). Hier stehen Selbstorganisationsprozesse von (metallo-)supramolekularen Aggregaten im und fern des Gleichgewichts genauso im Zentrum des Interesses wie die Herstellung von konjugierten linearen, zyklischen und Leiter-Oligomeren und -Polymere mit Anwendungen in der organischen Elektronik und Sensorik sowie zur Oberflächenstrukturierung und -funktionalisierung. Im Zentrum des Interesses der Arbeitsgruppe Engeser stehen Reaktionsmechanismen in Lösung und in der Gasphase. Weiterhin weist die Organische Chemie einen Schwerpunkt in der von der synthetischen Methodenentwicklung getriebenen Naturstoffchemie (Menche, Dickschat) mit Anknüpfungspunkte an die pharmazeutische und medizinische Chemie auf. Daneben wird methoden-basierte Massenspektrometrie (Engeser) und die Rastertunnelmikroskopie (Jester) in der Organischen Chemie betrieben, von der alle Arbeitsgruppen genauso profitieren wie von der hervorragenden Ausstattung im Bereich Hochleistungsflüssigchromatographie und der optischen Spektroskopie (UV-Vis, Fluoreszenz und CD-Spektroskopie) und den in der Zentralanalytik beheimateten Abteilungen für die Einkristallstrukturanalyse und die NMR-Spektroskopie.
Die Physikalische Chemie bietet zahlreiche spektroskopische Methodenentwicklung z.B. in der mehrdimensionalen nichtlinearen Laserspektroskopie (Vöhringer), der gepulsten multifrequenten Elektronen-Paramagnetischen Resonanz-Spektroskopie (Schiemann) oder der Einzelmolekül- und der Hochleistungslichtmikroskopie (Kubitscheck). Dies ergänzt sich durch die Entwicklungen in der Theoretischen Chemie im Bereich der Spektroskopie (Grimme, Kirchner). Die Anwendung mikroskopischer Techniken zur Charakterisierung von Transportprozessen durch weiche Grenzflächen wie Zellkernmembranen in der biophysikalischen Chemie (Kubitscheck) und der Herstellung und Untersuchung dünner organischer Filme auf festen Grenzflächen (Sokolowski) werden zudem verfolgt. Die Arbeitsgruppen des Instituts für Physikalische und Theoretische Chemie erforschen somit auf molekularer Ebene die Struktur, Dynamik und Reaktivität von einfachen chemischen Modellsystemen, Membranen, Assoziate auf Oberflächen und komplexen Materialien bis hinzu biomolekularen Maschinen in ganzen Zellen. Dabei wenden diese nicht nur moderne physikalische Methoden aus den Bereichen der Spektroskopie und Mikroskopie, sowie quantenchemische und molekulardynamische Methoden an, sondern entwickeln auch selber neue Methoden. Die Arbeit in der Physikalischen Chemie ist interdisziplinär und international ausgerichtet.
In der Anorganische Chemie liegen die Forschungsaktivitäten auf der Molekülchemie (Filippou, Streubel) und der Festkörperchemie (Beck, Glaum) von Hauptgruppenelementen und Übergangsmetallen. In der Arbeitsgruppe von Professor Filippou liegt der Fokus auf der Synthese, Reaktivität und der Erforschung der elektronischen Struktur von Verbindungen des Siliziums, Germaniums und Zinns, die neuartige π-Bindungen (z. B. Dreifachbindungen zu Übergangsmetallen) oder neuartige Koordinationsmodi aufweisen (z. B. linear-dikoordinierte und planar-tetrakoordinierte Siliziumverbindungen). Die Arbeitsgruppe von Professor Streubel konzentriert sich auf reaktive Intermediate, die niederkoordinierten Phosphor aufweisen, sowie auf gespannte P-Heterocyclen und aromatische P-Heterocyclen; letztere werden hinsichtlich der Eignung als molekulare Batteriematerialien untersucht.
Im Zentrum der Forschung von Professor Beck werden in einem übergreifenden festkörperchemischen und molekülchemischen Ansatz polykationische Hauptgruppenelement-Cluster, Metallchalkogenide und –pnictide und organische, elektrisch leitfähige Substanzen synthetisiert, und der Einfluß der Struktur der Feststoffe auf ihre magnetischen und die elektrischen Eigenschaften erforscht.
Wasserfreie Phosphate der Übergangsmetalle zeigen eine breite strukturelle Variabilität. Die Dimensionalität der darin auftretenden Metall-Oxid-Teilstrukturen bestimmt Farbe, magnetisches Verhalten wie auch deren redoxkatalytische Eigenschaften. Die darauf ausgerichteten Forschungsinteressen der Arbeitsgruppe von Professor Glaum umfassen die Synthese, Kristallisation und physikalisch-chemische Charakterisierung dieser Substanzklasse. Die Gruppe betreibt in Zusammenarbeit mit Professor Bredow (Mulliken Center) auch die Entwicklung und Anwendung des Computerprogramms BonnMag zur Ligandenfeldanalyse bei Verbindungen der Lanthanoide und Actinoide.
Die Forschungsaktivitäten im Institut für Anorganische Chemie zeichnen sich durch das breite Repertoire an besonderen synthetischen Methoden und die Vielfalt an analytischen Charakterisierungsmethoden aus. Zu den besonderen synthetischen Methoden gehören die Tieftemperatur-Synthesen thermolabiler Stoffe unter Inertgasbedingungen, die Elektrokristallisation, Reaktionen in ungewöhnlichen Lösungsmitteln wie Schwefeldioxid und Ammoniak, Solvothermalsynthesen unter Druck und Synthesen durch Gasphasentransport. Das Spektrum strukturanalytischer Methoden umfasst die Pulver- und Einkristalldiffraktometrie, auch an Kristallen mit multipler Verzwillingung und inkommensurabel modulierten Kristallen, die Flüssig- und Festkörper-Heterokern-NMR-Spektroskopie, die Raman-Spektroskopie, die Tieftemperatur-UV-VIS-NIR-Spektroskopie an Einkristallen, die Suszeptometrie zur Aufklärung magnetischer Ordnungsphänomene, die Elektronenmikroskopie und quantentheoretische Methoden zur Bindungsanalyse.
In diese Forschungslandschaft gliedern sich auch die in Bonn tätigen Nachwuchsgruppen ein, welche selbstständig Forschung betreiben. Die Gruppe um Bunescu beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer katalytischer Synthesemethoden (C-H-Aktivierung und photokatalytische Radikal-Kreuzkupplung) die zum Aufbau komplexer Molekülstrukturen verwendbar sind. Dabei steht die nachhaltige Organische Synthese im Sinne der Entwicklung neuer kürzerer und selektiverer Verfahren mit einer besseren Energiebilanz im Fokus. Die Nachwuchsgruppe von Frau von Krbek beschäftigt sich mit der Entwicklung und Untersuchung selbstorganisierter (metallo-)supramolekularer Systeme, die nur unter kontinuierlicher Energiezufuhr in Form eines chemischen Brennstoffes oder Lichtenergie gebildet werden und existieren können. Die Nachwuchsgruppe um Holloczki (Molekulardynamik) ist in der Theoretischen Chemie angesiedelt und verfolgt die Behandlung von sehr großen Systemen. Im Speziellen beschäftigt sich der Arbeitskreis Holloczki mit der akkuraten Beschreibung und Aufklärung von nachhaltigen Systemen und den damit verbundenen Entwicklungen von Kraftfeldmethoden. Dabei werden z.B. die Auswirkungen von Nanoplastik auf die Umgebung aber auch Themen der Organo-Katalyse untersucht.
Neben den traditionellen Schwerpunkten der Supramolekularen Chemie, der π-konjugierten Systeme und der Theoretischen Chemie gibt es in der Bonner Chemie außerdem fächerübergreifend eine starke Ausrichtung mit biochemischem Inhalt. Beispielsweise arbeitet der Arbeitskreis Dickschat an der Biosynthese von Naturstoffen mit einem besonderen Schwerpunkt in der Terpenbiosynthese. Enzymmechanismen werden mit Hilfe von Isotopenmarkierungsexperimenten, durch Enzymmutagenese und Einsatz von Substratanaloga studiert. Die Gruppe um Schiemann untersucht die Struktur-Funktions-Dynamik-Beziehung in Oligonukleotiden, Proteinen und ihren Komplexen mittels EPR-Spektroskopie, wofür sie neue Spinlabeling-Methoden entwickeln und Modellsystemeer Forschergruppe synthetisieren, der Arbeitskreis Kubitscheck untersucht deren Dynamik im Zellinneren in vivo. Struktur-Aktivitäts-Studien und medizinische Chemie werden im Arbeitskreis Menche betrieben. Die Auswirkungen von Nanoplastik auf Zellmembranen werden im Arbeitskreis Holloczki untersucht. Die Arbeitsgruppe Kubitscheck untersucht genauso biophysikalische Phänomene wie das im Forschungszentrum Jülich beheimatete Institut für Biologische Informationsprozesse 2 „Mechanobiologie“ (Merkel), das sich der experimentellen Untersuchung der Mechanobiologie lebender Zellen tierischen und menschlichen Ursprungs widmet. Insbesondere soll das Wechselspiel von molekularer Architektur und mechanischen Eigenschaften, die Wechselwirkung von Zellen mit Substraten und benachbarten Zellen sowie die Erkennung und Verarbeitung mechanischer Signale durch Zellen und die Dynamik von Transportprozessen durch Poren in der Membran von Zellkernen verstanden werden.
Die Bonner Chemie kooperiert auch in starkem Umfang außerhalb der eigenen Fachgruppe, mit Wissenschaftlern aus den Fachgruppen Physik, Limes, Pharmazie, Medizin und Geologie sowie den nahen Forschungseinrichtungen und mit den Nachbaruniversitäten. Sie ist eingebunden in den Transdisziplinären Forschungsbereich "Bausteine der Materie und grundlegende Wechselwirkungen" (TRA-2). Dieser untersucht die Natur in unterschiedlichen Längenskalen und versucht, zu verstehen, wie die Bausteine der Materie miteinander wechselwirken, und wie Struktur und Interaktion überhaupt erst entstehen können. Von subnuklearen und subatomaren über atomare, molekulare(bio-)makromolekulare und supramolekulare bis hin zu terrestrischen und astronomischen Größenordnungen versuchen die Bonner Forscherinnen und Forscher das grundlegende Wissen über die Natur zu erweitern. Mit ihren aufwändigen Experimenten arbeiten Wissenschaftler in chemischen Synthese- und Analyselaboratorien, in großskaligen Spektrometer-Einrichtungen, in Optik- und Detektorlaboren an mehreren Instituten der Universität, am eigenen Elektronenbeschleuniger ELSA und anderen Teilchenbeschleunigern und Observatorien weltweit und sogar im Weltall. Diese Experimente werden ergänzt durch aufwändig theoretische Berechnungen, die teilweise sogar das überschreiten, was wir derzeit experimentell erforschen können.
Traditionell führt die chemische Forschung in Bonn zu vielen Drittmitteleinwerbungen. Diese zeigen sich in der Beteiligung der Forschenden an den Sonderforschungsbereichen/Transregios SFB/TR51 “Roseobacter” (Dickschat), SFB/TR261 “Antibiotic CellMAP” (Dickschat, Menche, Kubitschek), des von der DFG neu eingerichteten Graduiertenkolleg GRK 2591 „Template-designed organic electronics“ (Höger, Lützen, Grimme, Hansen, Bredow, Sokolowski) und der Schwerpunktprogramme 2102 "Licht-kontrollierte Reaktivität von Metallkomplexen" (Vöhringer), 2041 „Computational Connectomics“ (Kubitscheck), sowie dem SPP 1807 “Control of London dispersion interactions in molecular chemistry” (Grimme) und der Forschergruppe FOR 2685 „Die Grenzen des Fossilberichtes: Analytische und experimentelle Ansätze zum Verständnis der Fossilisation“ (Engeser).
