C -Die vielen Leben des Kohlenstoffs. Dag Olav Hessen

C -Die vielen Leben des Kohlenstoffs - Dag Olav Hessen


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Schlange, die sich in den Schwanz biss – die Ringstruktur. Kekulés Erzählung weist, glaubt man berufenen Quellen, die eine oder andere Schwäche auf, aber er beschrieb damit auf jeden Fall die erste einer ganzen Reihe aromatischer Strukturen, die den Benzolring als gemeinsamen Nenner haben, und ihre Verwandten, welche das Fundament von drei Vierteln der gesamten organischen Chemie darstellen.

      Der Begriff organische Chemie klingt für Unwissende vielleicht komisch, und im Detail ist sie hochkomplex. Dennoch ist diesem Gebiet eine wunderbare Logik und Symmetrie zu Eigen, ganz zu schweigen davon, dass sie fast alles um uns herum betrifft. Hat man erst einmal die Grundprinzipien der organischen Chemie verstanden – und hier sind vor allem die Bindungseigenschaften des Kohlenstoffs und dessen Hang zu Sechserringen zentral – fügt sich vieles in ein logisches Muster ein. Nun soll das hier kein Buch über organische Chemie werden, doch bevor wir den Kohlenstoffatomen in die Labyrinthe des Kohlenstoffzyklus folgen, sollten wir rasch noch einen Blick auf die Chemie im Allgemeinen werfen.

      Die aromatischen Verbindungen sind, wie gesagt, Ringverbindungen, wie Benzol, Toluol, Naphtalin usw. Sie alle formen mit ihren C-Atomen ein Sechseck oder Fünfeck in allen möglichen Kombinationen und mit »Schwänzchen« aus anderen chemischen Verbindungen in einer unendlichen Anzahl von Varianten. Oft haben diese Stoffe einen charakteristischen Geruch. Kinder finden diese Dünste häufig herrlich; wir Erwachsenen haben gelernt, dass sie giftig oder gefährlich sind. Benzin beispielsweise riecht unmissverständlich nach organischer Chemie.

      Die Alkohole folgen bei der Namensgebung der Logik der Alkane, angefangen beim Methan: Methanol, Ethanol Page 56usw. Ihr gemeinsamer Nenner ist, dass ein Wasserstoffatom gegen eine OH-Verbindung ausgetauscht wurde, also von Ethan (C2H6) zu Ethanol (C2H5OH). Wir können hier nur an der Oberfläche kratzen, genauer gesagt betrachten wir die grundlegendsten Bausteine der organischen Chemie, die man zu beinahe allem zusammensetzen kann.

      Im Mittelpunkt von DuPonts und Staudingers Erfolg stand der 15 Jahre jüngere Wallace Carothers. Er war maßgeblich an der Entwicklung des Nylons sowie des Neoprens und des Polyesters beteiligt. Neopren war das erste vollsynthetische Gummi und ist allen Surfern und Tauchern als Material eines Kälteschutzanzuges bekannt. Polyester besteht aus Ketten von Estern. Carothers konnte sich nicht im Glanz seines Erfolges sonnen, ganz im Gegenteil – er war nicht der Meinung, viel Erfolg im Leben gehabt zu haben. Am 28. April 1937 checkte er in ein Hotel in Philadelphia ein, mixte sich einen Cocktail aus Zitronensaft und Kaliumcyanid – KCN, auch hier wieder das C, doch diesmal in schlechter Gesellschaft. Die Verbindung von Kalium, Kohlenstoff und Stickstoff ergibt ein kristallines Salz, das wie Zucker aussieht, aber äußerst giftig ist. Das war Carothers Ende, doch das Polymer-Märchen ging weiter.

      Es ist höchste Zeit, in der Geschichte des Kohlenstoffs das Gleichgewicht zwischen den Geschlechtern Page 58herzustellen. Stephanie Kwolek kam nach Ende des Zweiten Weltkrieges zu DuPont. Auch sie war im Kielwasser des Nylons auf der Suche nach neuen Materialien. Sie nahm einen Sechserkohlenstoffring mit einem Amin und einer Carboxylsäuregruppe als Seitenketten als Ausgangspunkt. Diese Verbindung ließ sich nur in Schwefelsäure auflösen. Dabei wurde sie zu einer breiigen Masse, aus der, indem man sie durch kleinste Löcher presste, wiederum ultrastarke Fasern gewonnen werden konnten. Der Prozess wurde in mehreren Durchläufen vereinfacht und verbessert, und resultierte schließlich in einem Produkt namens Kevlar. Dieser Stoff lässt sich in Massenproduktion herstellen, ist leichter als Stahl, und dennoch fünf Mal so stark, und wird als Ersatz für Stahl in schusssicheren Westen und Helmen, Seilen, Kabeln, Pardunen und anderen Produkten verwendet, die eine Kombination von Stärke und geringem Gewicht voraussetzen. Außerdem verträgt Kevlar Temperaturen von bis zu 400 °C. Vielleicht sind es Graphit, Diamant und Kevlar, die die stärksten Formen des Kohlenstoffs repräsentieren?

      Bevor uns die Cleverness der Menschheit noch komplett zu Kopf steigt, möchte ich an dieser Stelle noch einmal daran erinnern, dass uns auch hier die Natur zuvorgekommen ist. Die Polymere in den Seidenfäden der Spinne bestehen aus Ketten großer Proteine mit einer Bruchstärke, die, im Verhältnis zu ihrer eigenen Dicke, selbst der des Kevlars um Längen voraus ist. Um das noch zu toppen, hat dieses Polymer auch noch einen antimikrobiellen Effekt und ist trotzdem vollständig biologisch abbaubar. Auf der Suche nach cleveren Lösungen in den Bereichen Design oder Medizin wandelt der Mensch nur auf den Spuren der Evolution, zum Beispiel durch Forschung zur Nachahmung der Polymerchemie der Spinne.

      26Siehe: Nelson, D., Cox, M. (2010): Lehninger Biochemie 4. Auflage. Springer, Berlin, Heidelberg, New York.

      27Hermann Staudinger (1881–1965) war ein deutscher Chemiker. Er ver stand nicht nur die Struktur der Polymere, sondern erkannte auch ihre Anwendungsmöglichkeiten. Die Essenz seiner 1920 veröffentlichten, zentralen Arbeit Über Polymerisation ist die Hypothese, dass Gummi und andere Polymere wie Stärke, Zellulose und Proteine aus relativ kleinen Molekülen bestehen, die durch kovalente Bindungen miteinander zu langen Ketten verbunden sind.

      28DuPonts großer Forschungseinsatz im Bereich der Polymerchemie sind gründlich


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