Polymere mit ungewöhnlichen Bindungssituationen an schweren Hauptgruppenelementen zählen zu den synthetisch anspruchsvollsten Verbindungsklassen der modernen anorganischen Chemie. Die Herstellung stabiler, löslicher und verarbeitbarer Materialien dieser Art scheiterte lange an grundlegenden Reaktivitätsproblemen. Anna-Lena Thömmes hat sich diesem Feld mit bemerkenswerter Konsequenz gewidmet und wegweisende Beiträge zur Chemie der Poly(digermene) geleistet – Materialien, die das Potenzial haben, die Entwicklung neuartiger halbleitender Systeme grundlegend zu beeinflussen.
Inhaltsverzeichnis
Germanium-Doppelbindungen als Schlüssel zu neuen Materialien
Kohlenstoff ist in der organischen Chemie für seine Fähigkeit bekannt, stabile Doppelbindungen auszubilden – die Grundlage konjugierter Polymere mit halbleitenden Eigenschaften. Bei schwereren Elementen der Gruppe 14, also Silizium, Germanium und Zinn, ist das grundlegend anders. Doppelbindungen zwischen diesen Atomen sind deutlich reaktiver, kurzlebiger und schwerer zu stabilisieren. Genau hier setzt die Forschungsarbeit an, die an der Saarland Universität in der Gruppe von Prof. David Scheschkewitz entwickelt wurde.
Das Konzept der heavier acyclic diene metathesis, kurz HADMET, ermöglichte erstmals die Synthese eines Polymers mit Ge=Ge-Doppelbindungen – ein Meilenstein in der anorganischen Molekülchemie. Allerdings waren die ersten Polymere dieser Art noch unlöslich und wiesen einen begrenzten Polymerisationsgrad auf, was ihre praktische Verwendbarkeit stark einschränkte. Die Weiterentwicklung dieser Verbindungsklasse hin zu tatsächlich verarbeitbaren Materialien war daher eine der zentralen Herausforderungen, der sich Anna-Lena Thömmes in ihrer Promotionsarbeit widmete. Dabei war von Beginn an klar, dass es nicht nur darum gehen konnte, bestehende Synthesewege zu optimieren – vielmehr mussten neue konzeptionelle Ansätze gefunden werden, die die strukturellen Grenzen des HADMET-Verfahrens grundlegend überwinden.
Was macht Germanium-Doppelbindungen so besonders?
Ge=Ge-Doppelbindungen unterscheiden sich fundamental von C=C-Doppelbindungen. Sie sind wesentlich empfindlicher gegenüber Feuchtigkeit, Sauerstoff und anderen Reaktanden, was ihre Synthese und Handhabung erheblich erschwert. Gleichzeitig verleihen sie Polymeren einzigartige elektronische Eigenschaften, da das schwere Hauptgruppenelement die Bandlücke des konjugierten Systems gezielt beeinflusst. Poly(digermene) an der Saarland Universität wurden als erste Vertreter dieser Klasse mit hoher Löslichkeit und definierten Polymerisationsgraden entwickelt – ein entscheidender Schritt hin zur Anwendbarkeit.
Dissertation: Innovative Poly(digermene)s mit neuen Eigenschaften
Die Dissertation von Anna-Lena Thömmes, die 2025 an der Universität des Saarlandes mit „summa cum laude“ abgeschlossen wurde, trägt den Titel „Advanced Polymers with Ge=Ge Double Bonds“ und bündelt mehrere Jahre intensiver Forschungsarbeit zu einem kohärenten wissenschaftlichen Beitrag. Im Zentrum steht die Frage, wie sich die strukturellen Einschränkungen des HADMET-Verfahrens überwinden lassen und welche neuen Synthesewege sich daraus ergeben.
Ein wesentlicher Fortschritt war die Entwicklung eines alternativen Synthesewegs über ein NHC-Bis(germylen) als Vorläuferverbindung. Dieser Weg überwindet die Grenzen der klassischen Metathesereaktion und eröffnet neue Möglichkeiten zur Funktionalisierung und Copolymerisation – also zur gezielten Einführung zusätzlicher Gruppen in das Polymerrückgrat, was wiederum die elektronischen und physikalischen Eigenschaften der resultierenden Materialien steuerbar macht. Für die langfristige Entwicklung anwendungsorientierter Materialien auf Basis von Germanium-Doppelbindungen ist dieser Syntheseweg von besonderer Bedeutung, da er erstmals einen modularen Zugang zu funktionalisierten Poly(digermenen) eröffnet.
Stabilisierung durch Carben-Liganden
Ein wichtiger methodischer Baustein der Arbeit ist der Einsatz sogenannter Carben-Liganden zur Stabilisierung reaktiver Germaniumzentren. Sowohl N-heterocyclische Carbene (NHC) als auch cyclische (Alkyl)(amino)carbene (CAAC) wurden eingesetzt, um niedervalente Ge(II)-Zentren abzuschirmen und so isolierbare Intermediate zu erhalten. Dabei entstand unter anderem ein präzedenzloses CAAC-Bis(germen) mit Ge=C-Doppelbindungen – eine Verbindung, die zuvor nicht bekannt war und neue Perspektiven für die Synthesechemie eröffnet. Das sperrige, nukleophile CAAC erwies sich zudem als geeignetes Reagenz für das sogenannte Endcapping reaktiver Ge(II)-Zentren, was die kontrollierte Herstellung definierter Polymerketten ermöglicht.
Die wichtigsten Ergebnisse der Dissertation lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- Entwicklung von Poly(digermenen) mit hoher Löslichkeit und hohen Polymerisationsgraden
- Synthese eines CAAC-Bis(germens) mit Ge=C-Doppelbindungen als neue Verbindungsklasse
- Alternativer Syntheseweg über NHC-Bis(germylen) unabhängig vom HADMET-Verfahren
- Abscheidung der Polymere als dünne Filme – ein wichtiger Schritt zur technischen Anwendbarkeit
- Radikalfragmentierung eines NHC-Bis(acylgermylens) zum ersten germylenbasierten CAAC-Radikal
Publikationen und internationale Sichtbarkeit
Die Ergebnisse der Forschungsarbeit wurden in renommierten Fachzeitschriften veröffentlicht und auf internationalen Konferenzen präsentiert, wo sie mehrfach mit Posterpreisen ausgezeichnet wurden. Besonders hervorzuheben sind zwei Publikationen in der Angewandte Chemie International Edition: Im Jahr 2024 erschien der Artikel zur Synthese von Poly(digermenen) mit nahezu unendlicher Kettenlänge – ein Ergebnis, das in der Fachgemeinschaft erhebliche Aufmerksamkeit erzeugte. Im Jahr 2026 folgte ein Übersichtsartikel zu konjugierten anorganisch-organischen Hybridpolymeren mit p-Block-Elementen, den Anna-Lena Thömmes gemeinsam mit Prof. Scheschkewitz verfasste und der den Stand des Feldes umfassend zusammenfasst.
Silagermylenation: CO₂-Aktivierung als Nebenthema mit großer Wirkung
Neben den Polymerarbeiten entstand an der Saarland Universität auch eine viel beachtete Studie zur selektiven Aktivierung von Kohlendioxid durch Germaniumverbindungen, die 2025 in Inorganic Chemistry Frontiers erschien. Dabei wird CO₂ am zentralen Kohlenstoffatom aktiviert – ein Mechanismus, der als Silagermylenation bezeichnet wird und sich grundlegend von der oxophilen Reaktivität anderer niedervalenter Verbindungen unterscheidet. Diese Arbeit unterstreicht eindrücklich, wie fruchtbar der gewählte Forschungsansatz auch über den engeren Bereich der Poly(digermene) hinaus ist und wie vielseitig die Reaktivität dieser ungewöhnlichen Verbindungsklasse tatsächlich ist.
Zu den wichtigsten Publikationen im Überblick:
- „Metathesis of Ge=Ge double bonds“, Nature Chemistry, 2021
- „σ,π-Conjugated Bis(germylene) Adducts with NHC and CAACs“, Chemistry – A European Journal, 2023
- „Near-Infinite-Chain Polymers with Ge=Ge Double Bonds“, Angewandte Chemie International Edition, 2024
- „Silagermylenation of C=O bonds“, Inorganic Chemistry Frontiers, 2025
- „Conjugated Inorganic–Organic Hybrid Polymers with p-Block Elements“, Angewandte Chemie International Edition, 2026
Ausblick: Germanium in der Materialchemie der Zukunft
Die Arbeiten von Anna-Lena Thömmes zeigen exemplarisch, wie grundlagenorientierte anorganische Chemie den Weg zu neuartigen Funktionsmaterialien ebnen kann. Poly(digermene)s sind heute nicht mehr nur Kuriositäten der Molekülchemie, sondern ernsthafte Kandidaten für Anwendungen in der organischen Elektronik – etwa als Halbleiterschichten in Dünnschichtbauelementen oder als Bausteine für optoelektronische Systeme. Dass diese Materialien mittlerweile in Form dünner Filme abgeschieden werden können, ist ein entscheidender Schritt vom Labor in Richtung Anwendung.
Die methodische Vielfalt, die diese Forscherin auszeichnet – von der Synthesechemie über quantenchemische Berechnungen bis hin zur Spektroskopie und Polymercharakterisierung – macht sie zu einer gefragten Stimme in einem Forschungsfeld, das an Bedeutung weiter zunehmen wird. Mit ihrer aktuellen Postdoc-Tätigkeit an der Universität Toulouse, wo sie an mononuklearen Goldkomplexen mit ungewöhnlichen Oxidationszuständen arbeitet, erweitert Thömmes ihr Kompetenzprofil konsequent weiter – und legt damit den Grundstein für eine eigenständige Forschungsgruppe, die das Thema Germanium-Doppelbindungen und ihre Anwendungsperspektiven in den kommenden Jahren mit neuer Tiefe und Breite weiterentwickeln könnte.
