Brücke (Chemie)

Begriff und Definition

Eine Brücke ist in chemischen Strukturformeln eine Verknüpfung zwischen zwei Teilen eines Moleküls. Sie kann aus einem Atom, einer unverzweigten Atomkette oder sogar aus einer Valenzbindung bestehen. Nach dem IUPAC-„Gold Book“ lautet die Definition: „A valence bond or an atom or an unbranched chain of atoms connecting two different parts of a molecule.“

Normalerweise bezeichnet „verbrückt“ Atome, die innerhalb desselben Moleküls verbunden sind (intramolekular). Der Begriff wurde aber auch auf Verknüpfungen zwischen verschiedenen Molekülen erweitert (intermolekular). Brücken können daher kovalente Bindungen, koordinative Bindungen, nicht kovalente Wechselwirkungen oder auch ionische Wechselwirkungen betreffen.

Brücken aus einzelnen Elementen

Brücken werden häufig nach dem Brückenatom benannt, zum Beispiel Wasserstoff-, Stickstoff-, Sauerstoff-, Schwefel- oder Halogenbrücken.

Wasserstoff kann in Diboran, Aluminiumhydrid (Alan, (AlH₃)ₓ) und einigen Alkyl-Derivaten als Brückenatom auftreten. Solche Verbindungen können auch als Metallkomplexe betrachtet werden; die H-Atome heißen dann Brückenliganden. Für die dabei auftretenden nicht kovalenten Bindungen wurden Modelle wie die Dreizentrenbindung entwickelt. Besonders wichtig in der Natur ist die Wasserstoffbrückenbindung: Sie kann beispielsweise H₂O-Moleküle oder Moleküle von Fluorwasserstoff (HF) miteinander verknüpfen.

Halogenatome können Al(Hal)₃-Strukturen über koordinative Bindungen verbinden. In Aluminiumchlorid und Aluminiumbromid entstehen dadurch Dimere. In Berylliumchlorid führen Chlorbrücken zu einer Kettenstruktur.

Kohlenstoffbrücken und Metallkomplexe

In Metallkomplexen können Kohlenstoffatome Teil von Brückenliganden sein. Weil Kohlenstoff vier Bindungen eingehen kann, sind diese Strukturen oft vergleichsweise kompliziert. Alkylgruppen können Metallatome überbrücken; Carbonylbrücken finden sich etwa im Nonacarbonyldieisen (Dieisennonacarbonyl).

Verbrückende Liganden werden in Namen und Summenformeln mit μₙ gekennzeichnet. Dabei gibt n an, an wie viele Metallzentren der Ligand koordiniert. μ₁ wird gewöhnlich weggelassen, μ₂ meist zu μ verkürzt. Nonacarbonyldieisen heißt systematisch Tri-μ-carbonyl-bis(tricarbonyleisen) und hat die Summenformel [{Fe(CO)₃}₂(μ-CO)₃]. Dimeres Triethylaluminium heißt Di-μ-ethyl-bis(diethylaluminium) und wird als [(AlEt₂)₂(μ-Et)₂] formuliert; Et steht für C₂H₅.

Verbrückte Ringverbindungen und Heterocyclen

Bei bi- und polycyclischen Kohlenwasserstoffen können Kohlenstoffatome oder direkte kovalente Bindungen Brücken bilden. Die Verknüpfungsstellen einer Brücke, meist tertiäre Kohlenstoffatome, heißen Brückenköpfe. Norbornan enthält eine Kohlenstoff-Atombrücke und wird systematisch Bicyclo[2.2.1]heptan genannt. Norcaran besitzt dagegen eine direkte Kovalenzbrücke ohne Brückenatom; diese wird in der Von-Baeyer-Nomenklatur mit der Zahl Null beschrieben. Norcaran heißt daher Bicyclo[4.1.0]heptan. Cyclophane enthalten einen oder mehrere Benzolringe, die durch aliphatische Ketten überbrückt sind; solche Verbindungen werden auch als ansa-Verbindungen bezeichnet.

Heterocyclen entstehen formal, wenn in cyclischen Kohlenwasserstoffen ein oder mehrere Kohlenstoffatome durch Heteroatome ersetzt werden. Sie können Atombrücken und kovalente Brücken enthalten. Bei einfachen, monocyclischen Heterocyclen sollen Heteroatome jedoch nicht als Brücken, sondern als funktionelle Gruppen bezeichnet werden.

Bei komplexeren Naturstoffen und biologisch aktiven Stoffen ist der Brückenbegriff besonders gebräuchlich. Tropan, N-Methyl-8-aza-bicyclo[3.2.1]octan, enthält eine Stickstoffbrücke, die zwei Kohlenstoffatome des Cycloheptan-Gerüsts verbindet; auch Cocain gehört zu seinen Derivaten. Morphin enthält eine Stickstoffbrücke und eine Sauerstoffbrücke sowie zwei Hydroxygruppen. Chemisch lassen sich diese Brücken als tertiäre Amin- beziehungsweise Ether-Gruppen auffassen. Glycosidische Bindungen verknüpfen Kohlenhydrate untereinander oder mit einem Aglycon und können als Sauerstoffbrücken betrachtet werden. Werden sie durch Methylenbrücken ersetzt, entstehen pharmazeutisch interessante C-Glycoside.

Brücken in Makromolekülen

Auch Makromoleküle können durch einzelne Atome oder meist durch Atomketten verknüpft sein. Bei der Vulkanisation von Kautschuk entstehen Schwefelbrücken zwischen Polyisopren-Ketten.

In Proteinen und Peptiden sind vor allem Disulfidbrücken wichtig, die auch Cystin-Brücken heißen. Sie sind Schwefelbrücken und können zwei verschiedene Peptidketten oder zwei Bereiche derselben Peptidkette verbinden.

Der Brückenbegriff wird außerdem für Ionenbindungen verwendet. Solche Wechselwirkungen können Ketten und Ringe von Makromolekülen in bestimmten Konformationen festlegen. In der Biochemie heißen sie Salzbrücken. Sie entstehen durch elektrostatische Anziehung, also Coulomb-Wechselwirkung, zwischen positiv geladenen funktionellen Gruppen und anionischen Gruppen innerhalb einer Proteinkette. Typische Salzpaare sind Guanidinium-Kationen aus Arginin-Peptiden oder Ammonium-Gruppen aus Lysin-Peptiden mit Carboxylat-Anionen aus Glutamat-Bausteinen.