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Mit nur wenigen Ausnahmen erkranken Menschen erst ab etwa 65 Jahren an Alzheimer-Demenz, unter den 85-Jährigen leidet aber bereits jeder vierte daran. 1,3 Millionen Kranke gibt es in Deutschland.1 Diese Entwicklung führte in den vergangenen Jahren zu enormen Forschungsanstrengungen und zu vielen neuen Erkenntnissen über die biochemischen Prozesse, die der Krankheit zugrunde liegen.2
Diesen Erkenntnissen steht allerdings ein eklatanter Mangel an pharmakotherapeutischen Optionen gegenüber. Diese beschränken sich auf einige Hemmstoffe des Enzyms Acetylcholinesterase (AChE) sowie auf das Amantadinderivat Memantin, einen Antagonisten des NMDA-Rezeptors, die bei Patienten die Kognitionsleistung in geringem Umfang verbessern können. Der AChE-Inhibitor Tacrin (Abbildung 1), der erste zugelassene Wirkstoff bei Alzheimer-Demenz, verbessert die Kognitionsleistung der Patienten ebenfalls signifikant, aber er wirkt ausschließlich symptomatisch und nur zu Beginn der Erkrankung.3 AChE-Inhibitoren blockieren den Abbau des Neurotransmitters Acetylcholin (ACh) und erhöhen so dessen Konzentration bei der Übertragung von Impulsen zwischen Nervenzellen. Es ist lange bekannt, dass gerade die cholinergen Neuronen, also solche Nervenzellen, die ACh als Transmitter nutzen, bei der Alzheimer-Demenz zugrunde gehen. Bei diesen Nervenzellen scheint insbesondere der muscarinische Acetylcholinrezeptor vom Typ 1 oder kurz M1-Rezeptor eine herausgehobene Stelle für die Kognitions- und Gedächtnisleistung einzunehmen. AChE-Inhibitoren verstärken so indirekt die cholinerge Transmission und stabilisieren dadurch die Gedächtnisleistung.
Sowohl sein medizinisch-chemischer Wirkmechanismus als auch sein pharmakologisches Profil machen den Wirkstoff Rivastigmin interessant (Abbildung 1): pharmakologisch, da Rivastigmin auch die zweite Cholinesterase im menschlichen Körper, die Butyrylcholinesterase (BChE) hemmt, was einigen Autoren als Ursache für dessen klinische Effizienz gilt. Medizinisch-chemisch, da Rivastigmin ein Carbamat ist, das den Carbamatrest auf die Hydroxygruppe einer Serinaminosäure im aktiven Zentrum der Cholinesterasen kovalent überträgt. Die Substanz wirkt deshalb über diese Hemmung sehr lange (genau genommen ist die Hemmung pseudo-irreversibel, da sich das Carbamat durch Hydrolyse langsam wieder vom Enzym löst).4
Tacrin wurde, obwohl es beide Cholinesterasen wirksam hemmt, in vielen Ländern vom Markt genommen, weil es hepatotoxisch ist; es schädigt dosisabhängig die Leber — ein Problem, das leider auch bei vielen anderen unentbehrlichen Arzneistoffen auftritt, etwa dem Tuberkulosemittel Isoniazid oder bei Methotrexat, das in der Chemotherapie bei Krebs und bei rheumatischen Erkrankungen eingesetzt wird.5


<h2>Hybridmoleküle</h2>
Die Ursache der Alzheimer-Demenz ist schlichtweg unbekannt, und eine Kausaltherapie deshalb nicht möglich.2) Allerdings wurden neben den als Auslösern geltenden β-Amyloid-Plaques und den neurofibrillären Bündeln biochemische Prozesse identifiziert, welche die Krankheit (mit-)verursachen oder zumindest ihren Verlauf beschleunigen. Dazu gehört oxidativer Stress, also die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (reactive oxygen species, ROS), der zum Untergang von Neuronen beiträgt. Die Alzheimer-Demenz ist also eine multifaktorielle Erkrankung. Damit liegt die Idee nahe, auf chemische Weise verschiedene Wirkstoffmoleküle miteinander zu kombinieren, um so mehrere biologische Effekte synergistisch zu verbinden, und zwar in einem einzigen Molekül. Solche Hybridmoleküle werden auch bei anderen Krankheiten, etwa Krebs oder Malaria, als Wirkstoffe entwickelt.6
Trotz seiner Hepatotoxizität dient der AChE-Inhibitor Tacrin häufig als Modellsubstanz für die Forschung an Hybridmolekülen. Zum einen, da bekannt ist, wie er im aktiven Zentrum (catalytic active site, CAS) bindet, und zum anderen, weil Tacrin ein so starker Inhibitor ist. Als trizyklisches vinyloges Amidin besitzt er zudem eine höchst einfache Struktur (Abbildung 1).7
AChE lässt sich nicht nur durch die Blockade der Esterasefunktion in der CAS hemmen. Dies zeigen unter anderem die “Bis-Tacrine” genannten Hybride des Tacrins mit sich selbst: zwei Tacrinmoleküle, die über einen Alkylenspacer miteinander verbunden sind (Abbildung 2). Dies wird allerdings nicht als Hybrid, sondern als bivalente Verbindung bezeichnet. Solche Bis-Tacrine binden sehr stark an die AChE; der erste Tacrinteil bindet an der CAS, der zweite an einer Bindungsstelle am Ausgang der Bindetasche (peripheral anionic site, PAS), die trotz ihres Namens tatsächlich eine aromatische Bindungsstelle ist.8 Das Besondere dabei ist, dass AChE die Aggregation von β-Amyloid beschleunigt, also einen Kernprozess bei der Alzheimer-Demenz. Dies hängt aber nicht mit ihrer Esterasefunktion zusammen, sondern wird direkt durch die PAS vermittelt. Folglich können Bis-Tacrine zusätzlich die β-Amyloid-Aggregation hemmen.9
Um die Relevanz beider Bindungsstellen zu beweisen und um beide Enzymfunktionen in biologischen Testsystemen selektiv inhibieren und damit steuern zu können, haben wir ein chemisches Strukturelement, das als Photoschalter fungiert, in den Spacer der Bis-Tacrine eingebaut. Dies geschah in Zusammenarbeit mit dem Arbeitskreis von Burkhard König aus Regensburg. So synthetisierten wir einen potenten Inhibitor der AChE, genauer der CAS der AChE, und charakterisierten ihn biologisch. Unter UV-Licht (λ = 312 nm) wandelt er sich in eine rot gefärbte ringgeschlossene Form um. Der Prozess ist reversibel: Im Licht (λ &gt; 420 nm) entsteht wieder die ringoffene Form (Abbildung 2). Beide Photoisomere sind Hemmer der CAS. Mit den richtigen Spacerlängen ist die ringgeschlossene Form ein Hemmer der CAS und damit der Esterasefunktion. Dagegen kann sich nur die ringoffene Form so orientieren, dass sie zugleich die PAS und damit die β-Amyloid-Aggregation hemmt (Abbildung 3). Diese biologische Funktion der AChE ist so beispielsweise in biologischen Testsystemen mit Licht ein- und ausschaltbar.10


<h2>Wider den oxidativen Stress</h2>
Besondere Bestandteile von Hybridmolekülen sind Antioxidantien, also Strukturen, die reduzierend wirken und/oder ausgeprägte Radikalfänger sind.11 In der Mehrheit sind solche Antioxidantien natürlichen Ursprungs, etwa die pflanzliche Phenolcarbonsäure Ferulasäure (Abbildung 4). Da sich in Zellen ständig reaktive Sauerstoff- und Stickstoffspezies (ROS und RNS) bilden, benötigt die Natur entsprechende Antioxidantien, um Schäden zu vermeiden. Gerade bei neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer-Demenz spielt oxidativer Stress eine entscheidende Rolle, denn es lassen sich erhöhte Protein- und DNA-Oxidation und Lipid-Peroxidation nachweisen. Antioxidantien könnten den Verlauf der Erkrankung bremsen.12 Auch β-Amyloid ruft in Neuronen oxidativen Stress hervor und gleichzeitig fördern ROS die β-Amyloid-Bildung — so entsteht ein Teufelskreis.
Es ist also wünschenswert, beispielsweise an AChE-Inhibitoren Strukturen zu binden, die neuroprotektiv sind oder solche Pharmakophore, also neuroprotektive Strukturelemente, in die chemischen Strukturen von AChE-Inhibitoren einzubauen. In zwei Beispielen gelang dies auf unterschiedliche chemische Art und Weise: 
Im ersten Beispiel wurde wiederum Tacrin verwendet, diesmal verbunden mit Ferulasäure. Dabei war die Cholinesterase-Hemmung mit antioxidativer Kapazität kombiniert (Abbildung 4, S. 873). Das Besondere an diesem Tacrin-Ferulasäure-Hybrid ist, dass es nicht nur die Summe der biologischen Aktivitäten beider Bestandteile darstellt, sondern mehr kann: Es interagiert zusätzlich mit der PAS und hat damit das Potenzial, auch die β-Amyloid-Aggregation zu hemmen.13 Enzymkinetische Messungen bestätigten diese Interaktion. Es ist dadurch möglich, dass der Tacrinteil des Moleküls mit der CAS und der aromatische Rest des Ferulasäureteils mit der PAS interagiert.
Im zweiten Beispiel wurde ein ähnliches Ziel mit einer anderen chemischen Struktur erreicht. Zudem sollte auch die Butyrylcholinesterase (BChE) inhibiert werden, ohne AChE zu hemmen. Solch ein BChE-selektiver Inhibitor hilft, mehr über die Rolle der BChE im Körper, insbesondere bei der Alzheimer-Demenz zu erfahren. BChE wird nämlich im Gegensatz zur AChE nicht vermindert gebildet, wenn bei Alzheimer-Demenz cholinerge Neurone zugrunde gehen. Die BChE-Inhibierung kompensiert dann den Effekt der nun nicht mehr möglichen AChE-Inhibierung und bewirkt damit eine Kognitionsverbesserung.14
Wie erwähnt greift der Arzneistoff Rivastigmin (Abbildung 1, S. 871) auch an der BChE an. In vorhergehenden Arbeiten waren, ausgehend von Alkaloiden, neue tri- und tetracyclische Verbindungen synthetisiert worden, die eine moderate Hemmung der BChE mit einer gewissen Selektivität verbanden (Abbildung 5, S. 873). Ihre chemische Struktur ließ zudem neuroprotektive Eigenschaften erwarten (verbunden mit der Bildung eines Chinonimins) — also neuroprotektive Elemente innerhalb der enzymhemmenden Struktur. Aus dieser heterocyclischen Verbindung wurden über die phenolische OH-Gruppe wie im Rivastigmin verschiedene Carbamate synthetisiert. Unter der Vielzahl von Verbindungen mit unterschiedlichen Carbamatstrukturen, verschiedenen Ringgrößen und sowohl Tri- als auch Tetracyclen fanden wir Strukturen, die BChE hochaffin hemmen, AChE aber nicht.15 Zudem schützen diese Substanzen eine neuronale Zelllinie vor durch intrazelluläre ROS-Bildung ausgelöstem Zelltod (Abbildung 5, S. 873).
Hier zeigt sich eine weitere Option beim Design und der Entwicklung von Hybridmolekülen: Die strukturellen Veränderungen im Molekül lassen sich nutzen, um Aktivitäten und Selektivitäten zu verbessern. Allerdings müssen hierzu die chemischen Strukturelemente, die Pharmakophore, bekannt sein, die für die biologische Wirkung verantwortlich sind, und es ist wichtig zu verstehen, wie man die Parameter verändern kann, um gewünschte biologische und pharmakologische Profile zu erhalten. Hierzu ist die Synthese von vielen Verbindungen notwendig. Auch Kenntnisse über die 3D-Strukturen der biologischen Targets helfen. Dies zeigen die photoschaltbaren Bis-Tacrine, bei denen molekulares Docking Hinweise auf die molekulare Interaktion gab (Abbildung 3, S. 872).


<h2>Tacrin als Co-Drug</h2>
Um die Hepatotoxizität des Tacrins zu verringern, verknüpften wir es mit dem Naturstoff Silibinin (Abbildung 6). Dieses Flavolignan ist einer der Hauptbestandteile des Silymarins, des Extrakts der Mariendistel Silybum marianum. Es wirkt gegen verschiedene Lebererkrankungen.16 Aufgrund der hohen Molmasse und damit zu erwartender geringer Bioverfügbarkeit wurde Tacrin hier nicht stabil an Silibinin gebunden, sondern als Co-Drug, das erst in der Leber in wirksame Bestandteile gespalten wird (Abbildung 6). Labyrinthversuche mit Ratten zeigten, dass das Co-Drug genauso prokognitiv wirkt wie Tacrin. Bei der Untersuchung der Hepatotoxizität ist nicht nur der Vergleich zum Tacrin allein interessant, sondern auch der zur gleichzeitigen Gabe von Tacrin und Silibinin. Schon die Tacrin-Silibinin-Mischung war weniger hepatotoxisch als Tacrin, das Co-Drug war noch wesentlich ungiftiger, und in vivo war mit dem Co-Drug bei therapeutischer Dosierung gar keine Hepatotoxizität zu beobachten. Zudem zeigt das Co-Drug einen neuroprotektiven Effekt, der beim chemisch unveränderten Silibinin nicht auftritt.17 Worin die Ursache dieser überadditiven Effekte liegt, ist nicht leicht zu beantworten, aber es gibt Hinweise, dass die bei der Spaltung in vivo gebildeten Molekülbestandteile die Effektunterschiede hervorrufen.18


<h2>QUERGELESEN</h2>
Da Alzheimer-Demenz eine multifaktorielle Erkrankung ist, liegt die Idee nahe, auf chemische Weise verschiedene Wirkstoffmoleküle miteinander zu kombinieren. Ein solches Hybridmolekül wirkt synergistisch auf mehrere biologische Prozesse.
Beim Design und bei der Entwicklung von Hybridmolekülen lassen sich die strukturellen Veränderungen im Molekül nutzen, um Aktivitäten und Selektivitäten zu verbessern.


<h2>Alzheimer-Demenz</h2>
Was wir heute als Alzheimer-Demenz bezeichnen, beschrieb klinisch schon vor über 100 Jahren der Psychiater Alois Alzheimer in Frankfurt. Er erfasste die verheerenden Kognitions- und Gedächtniseinbußen der Patienten, in seinem Fall bei Auguste Deter. Bei Alzheimer-Demenz sind diese Prozesse so dramatisch, dass Patienten in späten Erkrankungsstadien oft den Weg in die eigene Wohnung nicht mehr finden oder die eigenen Kinder nicht mehr erkennen. Bemerkenswerterweise erkannte bereits Alzheimer die pathophysiologischen Veränderungen im Gehirn, die bis heute als Kernprozesse gelten: die Ablagerung eines neurotoxischen Proteins, des β-Amyloids, im Gehirn in Plaques und die Bildung von Neurofibrillen in Nervenzellen.


Michael Decker, Jahrgang 1973, ist seit dem Jahr 2012 Professor für pharmazeutische und medizinische Chemie an der Universität Würzburg. Zuvor war er — nach Studium und Promotion in Cambridge und Bonn und Habilitation in Jena — als Wissenschaftler und Dozent an der Harvard Medical School, der School of Pharmacy der Queen's University in Belfast und zuletzt am Institut für Pharmazie der Universität Regensburg tätig.
<a href="mailto:michael.decker@uni-wuerzburg.de">michael.decker@uni-wuerzburg.de</a>
Sarah Wehle, Jahrgang 1986, ist seit Juli 2012 Doktorandin im Arbeitskreis Decker. Davor studierte sie von 2006 bis 2011 in Basel Chemie und forschte für ihre Masterarbeit in der Organometallkatalyse der Arbeitsgruppe von Andreas Pfaltz. Ein Synthesepraktikum bei Roche in Basel brachte sie zur medizinischen Chemie und somit zum Forschungsgebiet ihrer Promotion.



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<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.deutsche-alzheimer.de" target="_blank">www.deutsche-alzheimer.de</a></ext-link>; abgerufen am 30.04.2013.
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18 

K. Zenger, X. Chen, M. Decker, B. Kraus, J. Pharm. Pharmacol. 2013, im Druck.
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Artikel

Alzheimer mit Hybridmolekülen in die Zange nehmen

Mit nur wenigen Ausnahmen erkranken Menschen erst ab etwa 65 Jahren an Alzheimer-Demenz, unter den 85-Jährigen leidet aber bereits jeder vierte daran. 1,3 Millionen Kranke gibt es in Deutschland.1 Diese Entwicklung führte in den vergangenen Jahren zu enormen Forschungsanstrengungen und zu vielen...

Prof.Dr.

Aufbau und Herstellung von Lithiumionenakkumulatoren sind aufwendig und stellen hohe Ansprüche an die Chemie und den Fertigungsprozess. Aus diesem Grund war dieses Themenfeld für den Chemieunterricht experimentell und konzeptionell bisher weitgehend unerschlossen. Ein Forschungs- und Entwicklungsprojekt der Pädagogischen Hochschule Freiburg stellt jetzt Experimente zu Lithiumionenakkumulatoren in Theorie und Praxis vor.1—3


<h2>Die Geburtsstunde der Lithiumionenakkumulatoren</h2>
Ein erster entscheidender Schritt hin zu den heute gebräuchlichen leistungsfähigen Lithiumionenakkumulatoren war in den 1980er Jahren die Entwicklung von lithiummetallbasierten Primärbatterien in organischen Elektrolyten. Diese Batterien erreichten Spannungen von etwa 3 Volt pro Zelle. Derartige Zellen wurden insbesondere in der Coin-Variante eingesetzt (Abbildung 1a). Diese Primärbatterien bestanden aus einer metallischen Lithiumanode und einer zur Interkalation befähigten Kathode — beispielsweise MnO2 — in einem organischen, aprotischen Elektrolyten. Beim Entladevorgang dieser Lithiumbatterien lagert sich als Ausgleich für jedes zur Kathode transportierte Elektron ein Lithiumion in das MnO2-Gitter ein. Dabei wird MnIV zu MnIII reduziert und die Lithiumanode löst sich auf (Abbildung 1b). Die Batterieforschung definiert — abweichend von der schulischen Verwendung der Begriffe Anode und Kathode — die Anoden- und Kathodenmaterialien nach dem Entladevorgang.
Ein lithiummetallbasierter Akkumulator lässt sich auch mit Mitteln der Schule realisieren. So lässt sich durch einen einfachen elektrochemischen Abscheidungsvorgang in einem organischen Elektrolyten in Kombination mit einer mit Perchlorationen interkalierten Graphitelektrode metallisches Lithium gewinnen (Abbildung 2).5 Hier liegt ein neuartiges und für die Schule aus experimenteller Sicht unbekanntes Batteriesystem vor. Dieses elektrochemische System führt gleichzeitig gut in ein aktuelles Forschungsfeld ein, denn die Batterieforschung diskutiert zurzeit wieder intensiv Akkumulatoren auf der Basis von metallischem Lithium, etwa den Lithium-Luft-Akkumulator. Dieser wäre noch einmal deutlich leistungsfähiger als die bisher eingesetzten Lithiumionenakkumulatoren.
Ein Blick auf das Voltmeter in Abbildung 2 verrät, dass dieses Akkumulatorsystem im Wortsinn großes Potenzial hat. Nach einem vierminütigen Ladevorgang zeigt der Akkumulator eine Ruheklemmenspannung von etwa 5 Volt. Diese Spannung setzt sich zusammen aus dem negativen Lithiumpotenzial von etwa — 3,0 V (gegen Normalwasserstoffelektrode, NHE) und dem positiven Potenzial von etwa + 2,0 V (gegen NHE) der mit Perchlorationen interkalierten Graphitelektrode.


<h2>Meilenstein Graphitelektrode</h2>
Auch wenn Lithiummetall als Anodenmaterial in jüngerer Zeit wieder auf Interesse stößt, konnten sich sekundäre Lithiummetallakkumulatoren zunächst nicht durchsetzen. Grund waren unter anderem Sicherheitsrisiken: Beim Wiederaufladen solcher sekundärer Lithiummetallbatterien können sich Dendriten bilden. Wenn sich Dendritenäste bis zur Kathode ausbilden, schließen sie die Zelle kurz. Dieses als Thermal Runaway bezeichnete Durchbrennen führt zur Explosion des Elektrolyten und zerstört den Akku.6
Ein Meilenstein war im Jahr 1986 ein Akkumulatorprototyp, der als Anode ein kohlenstoffbasiertes Material nutzte, in das Lithiumionen bei einem Lade-/Entladevorgang interkaliert/deinterkaliert wurden.7 Dieser Akkutyp umging so weitgehend die Gefahr einer Dendritenbildung und den Nachteil des mit 180,54 °C vergleichsweise niedrigen Schmelzpunkts von Lithium.
Graphit bietet mit seinem hexagonal-planaren Schichtgitter ideale Bedingungen, um Lithiumionen zu interkalieren. Die Lithiumionen lagern sich unter Energieaufwand zwischen die durch schwach ausgebildete Van-der-Waals-Wechselwirkungen zusammengehaltenen Graphitschichtebenen ein.
Die Interkalation — auch Insertion genannt — von Lithiumionen in Graphit verläuft stufenförmig.8 So entstehen nach und nach immer dichter besetzte Graphitinterkalationsverbindungen. Stöchiometrisch ist LiC6 die maximal erreichbare Intercalationsverbindung.
Das Potenzial eines vollständig lithiierten Kohlenstoffwirts kommt dem Elektrodenpotenzial von Lithium sehr nahe und wäre somit hervorragend für die Konstruktion eines Lithiumionenakkumulators geeignet. Ein Problem ergab sich jedoch dadurch, dass das Kohlenstoffmaterial in dem damals häufig eingesetzten organischen Elektrolyten Propylencarbonat (PC) mechanischen Belastungen ausgesetzt war, welche die Elektrode zerstörten. Dieses Phänomen ist auf die mögliche Co-Interkalation des Elektrolyten durch solvatisierte Lithiumionen zurückzuführen, welche die Graphitschichten aufweiten. Derart co-interkalierter Elektrolyt kann sich aufgrund der hohen Ladespannung in Produkte wie Propen zersetzen. So weiten sich die Graphitschichten von Zyklus zu Zyklus stärker auf, und es kommt schließlich zur Exfoliation, also zur Zerstörung des Elektrodenmaterials.9
Nötig war gleichsam ein ionischer Türsteher, der dafür Sorge trägt, dass die solvatisierten Lithiumionen ihre Solvathülle vor dem Eintritt in das Graphitgitter ablegen.
Diesen Türsteher entdeckten Dahn et al. im Jahr 1990. Organische Elektrolytkompositionen auf der Basis von Ethylencarbonat bilden bei den ersten Ladevorgängen auf der Graphitelektrode eine aus Zersetzungsprodukten bestehende und nur für unsolvatisierte Lithiumionen permeable Schutzschicht (Solid Electrolyte Interphase; SEI).10
Im Unterricht veranschaulicht ein einfaches Experiment diesen Zusammenhang (Abbildung 3, S. 877).1 Bei einem fünfminütigen Ladevorgang in einem ethylencarbonatbasierten Elektrolyten bildet sich auf der Graphitfolie eine schützende SEI-Schicht. Im zweiten Teil des Experiments wird der Ladevorgang in Propylencarbonat fortgeführt: Es bildet sich keine entsprechende Schicht und es kommt zur Exfoliation.


<h2>Schaukelstuhl- und Ziehharmonika-Akkumulatoren</h2>
 Eine beidseitige Einlagerung/Auslagerung (Interkalation/Deinterkalation) von Lithiumionen kennzeichnet moderne Lithiumionenakkumulatoren. Die Lithiumionen — beispielsweise aus LiClO4 oder LiPF6 — wandern beim Lade- und Entladevorgang in einem polaren organischen, aprotischen Lösungsmittel ständig zwischen einer kohlenstoffbasierten Anode und der Kathode aus einem Mischmetalloxid wie LiMnO2 oder LiCoO2 hin und her. Dieser Akkumulatortyp heißt deshalb Schaukelstuhl- oder Rocking - chair - Akkumulator.11 Er ist jedoch für den Unterricht problematisch, da die Kathodenmaterialien schwer zugänglich und zum Teil giftig sind.
Aus diesem Grund erlangt das Konzept der Dual-Carbon-Cell Bedeutung. Es sieht bei einem Ladevorgang die gleichzeitige Interkalation von Kationen und Anionen in einen redoxamphoteren kohlenstoffbasierten Wirt vor. Ein Lade-/Entladevorgangvorgang dieses aus zwei Graphitelektroden bestehenden Akkumulators lässt sich im Sinn der jeweils entgegengesetzten Ionenwanderwege als Ziehharmonika-Akkumulator bezeichnen (Abbildung 4). Einen solchen Dual-Carbon-Akkumulator haben wir erstmals vor zwei Jahren auf dem GDCh-Wissenschaftsforum in Bremen auf PC-basierten Elektrolytkompositionen in Deutschland eingeführt. Über einen einfachen, selbst herzustellenden Dual-Carbon-Akkumulator im Mikromaßstab bis hin zu einem leistungsfähigen Powerpack sind verschiedene Typen möglich. Die elektrochemisch erzwungene Interkalation von Ionen lässt sich mit einfachen Experimenten nachweisen.1
Ein einfacher Lithiumionenakkumulator mit Graphitminen als Elektrodenmaterial zeigt nach nur vier Minuten Ladezeit eine Ruheklemmenspannung von zirka 3,8 V (Abbildung 5). Das reicht aus, um kleine elektrische Verbraucher, etwa eine LED, zu betreiben.
Die Entwicklungsgeschichte der Lithiumionenakkumulatoren nachvollziehend, haben wir unsere Untersuchungen auf ethylencarbonatbasierte Elektrolyte ausgedehnt, um Exfoliation zu verhindern oder zumindest zu reduzieren. Ethylencarbonatbasierte Elektrolyte ermöglichen höhere Ladespannungen und der elektrochemische Einbau von unsolvatisierten Lithium- sowie Perchlorationen in den Kohlenstoffwirt vollzieht sich in einem spektakulären Farbenspiel der Elektrodenmaterialien. Bei Ladespannungen von 5 Volt erreicht in diesen Elektrolyten der Interkalationsgrad an Lithiumionen sein Maximum, LiC6. Hierbei durchläuft das Elektrodenmaterial eine elektrochemische Metamorphose (Abbildung 6): Der maximal lithiierte Graphit erscheint in goldener Farbe und weist nun ein Potenzial von fast — 3 Volt (gegen NHE; in Abhängigkeit vom Kohlenstoffmaterial) auf.


<h2>Alchemisten-Akkumulatoren</h2>
Eine andere Strategie für leistungsfähige Lithiumionenakkumulatoren sind Lithiumlegierungen als Anodenmaterialien. Lithium bildet mit zahlreichen Metallen (M) wie Al, Pb, Si, Sn, Pt, Ag oder Au Legierungen (LixM), die auch bei Raumtemperatur reversibel Lithiumionen aufnehmen und abgeben.
Da die gebildeten Lithiumlegierungen häufig einen ionischen Charakter aufweisen (Li+xMx−; Zintl-Phasen), kann die Packungsdichte der Lithiumionen in der jeweiligen Legierung bisweilen sogar höher ausfallen als im metallischen Lithium. Das Elektrodenpotenzial des zu legierenden Metalls wird bei einem Ladevorgang in Folge des hinzulegierten Lithiums stark in den negativen Bereich (gegen NHE) verschoben.
Konsequenterweise verhält sich ein mit Lithiumionen legiertes Metall völlig anders als das Ausgangsmetall. Beim Laden und Entladen eines solchen Akkumulators fühlt man sich an eine Formulierung des Physikers und Chemikers Johann Wilhelm Hittorf (1824 — 1914) aus dem Jahr 1899 erinnert: “Durch diesen Wechsel der Stromrichtung können wir beliebig oft … das Problem der Alchemisten lösen, aus einem unedlen ein edles Metall herstellen und umgekehrt.”12 Wie zutreffend dieses Zitat ist, zeigt ein in Folge eines vorausgehenden Ladevorganges mit Lithiumionen legierter Zinndraht: Er reagiert in Wasser heftig unter Bildung von Wasserstoff und Hydroxidionen; die Zinnlegierung verhält sich quasi wie ein Alkali- oder Erdalkalimetall (Abbildung 7). Ein Lithium/Zinn-Legierungs-Akkumulator in Kombination mit der oben beschriebenen anioneninterkalierenden Graphitelektrode liefert eine Spannung von über 4,3 V. Kleine elektrische Verbraucher können über einen verblüffend langen Zeitraum betrieben werden.
Damit Lithiumlegierungselektroden als Anodenmaterialien in einem Akkumulatorsystem weite Verbreitung finden, sind jedoch noch einige Probleme bei der Zyklenstabilität zu lösen. Das Zulegieren großer Mengen an Lithium und die Bildung der Zintl-Phasen Li+xMx− führt bei vielen Lade-/Entladevorgängen noch häufig zur Degradation des Elektrodenmaterials.


<h2>Ein Akku macht blau</h2>
Die Interkalationschemie in Handys und Laptops lässt sich farbenfroh vermitteln. Ausgangspunkt der Überlegungen war die elektrochemisch und fachdidaktisch verlockende Frage, ob es möglich ist, einen Lithiumionenakkumulator in der Rocking-chair-Variante mit Mitteln der Schule zu realisieren. In diesem Akkumulator sollte ein elektrochromes Übergangsmetalloxid als Kathodenmaterial dienen, das bei einem Lade- oder Entladevorgang seine Farbe verändert. Es spiegelt so den Ladezustand des Akkumulators und liefert gleichzeitig den optischen Beweis für die Ein- und Auslagerung von Ionen.
Im schließlich realisierten Lithiumionenakkumulator steckt eine durch einen vorausgehenden Ladevorgang maximal lithiierte Graphitfolie. Sie wird schließlich durch die Bildung der Graphitinterkalationsverbindung LiC6 goldfarben (Abbildung 8). Als Kathodenseite dient ein mit Titanoxid beschichtetes, elektrisch leitendes Glas aus Fluorzinnoxid (FTO).
Der Deinterkalationsprozess auf der Anodenseite lässt sich während des Entladevorganges optisch gut verfolgen, da dabei die goldene Farbe der Graphitfolie verschwindet. Bei genauer Beobachtung sind sogar aufgrund der Verringerung der Lithiumionenkonzentration im Graphit die unterschiedlichen Graphitinterkalationsverbindungen an ihrer Farbe zu erkennen — LiC12 ist rot und LiC18 blau.
Die Kathodenseite arbeitet wie bei einem handelsüblichen Lithiumionenakkumulator. Sie färbt sich darüber hinaus allerdings während der Reduktion der TiIV- zu TiIII-Ionen und der daraus resultierenden Interkalation der Lithiumionen in das Kristallgitter blau.
Auch wenn titanoxidbasierte Elektrodenmaterialien in der Praxis eher für Anoden dienen, liegt hier dennoch ein leistungsfähiger und vor allem aus didaktischer Sicht interessanter Akkumulatortyp vor.


<h2>QUERGELESEN</h2>
Aktuelle Strategien der Lithiumionenakkumulatortechnik lassen sich auch im Chemieunterricht behandeln.
Ein elektrochromes Kathodenmaterial eignet sich fachdidaktisch besonders gut, um Schülern Einblicke in die Zusammenhänge der Interkalationschemie der Akkumulatoren in Handys und Laptops zu geben.


Marco Oetken ist Professor für Chemie und ihre Didaktik an der Pädagogischen Hochschule Freiburg. Er studierte an der Universität Oldenburg Chemie und Biologie für das Lehramt an Gymnasien und legte 1994 das 1. Staatsexamen ab. 1997 promovierte er im Arbeitskreis von Walter Jansen. Das 2. Staatsexamen legte er im Jahr 2000 ab. Im gleichen Jahr wurde er zum Akademischen Rat für Didaktik der Chemie an der Universität Oldenburg ernannt und habilitierte sich 2001. Nach einer Hochschuldozentur an der PH Weingarten (2003) und einer Vertretungsprofessur an der Universität Wuppertal (2003) ist er seit 2004 an seiner jetzigen Stelle.
<a href="mailto:Marco.oetken@ph-freiburg.de">Marco.oetken@ph-freiburg.de</a>
Martin Hasselmann ist Doktorand im Arbeitskreis Oetken. Er studierte an der Pädagogischen Hochschule in Freiburg die Fächer Chemie, Mathematik und Physik für das Lehramt an Realschulen und legte 2011 das 1. Staatsexamen ab. Seit April 2012 promoviert er über die experimentelle und konzeptionelle Erschließung des Themenfelds Lithiumionenakkumulatoren für die Schule und Hochschule.
<a href="mailto:martin.hasselmann@ph-freiburg.de">martin.hasselmann@ph-freiburg.de</a>
Corinna Wagner studierte an der Pädagogischen Hochschule in Freiburg die Fächer Chemie, Mathematik und Sport für das Lehramt an Realschulen und legte 2012 das 1. Staatsexamen ab. Seit Juli 2013 promoviert sie im Arbeitskreis Oetken. Maximilian Klaus ist Examenskandidat an der Pädagogischen Hochschule in Freiburg im Fach Chemie. Dominik Quartal ist Examenskandidat an der Pädagogischen Hochschule in Freiburg im Fach Chemie. Bernd Mößner ist technischer Mitarbeiter an der Pädagogischen Hochschule in Freiburg.


<h2>Die Experimentierkästen</h2>
Die Experimentierkästen Lithium+, Lithium Power , Lithium Metall sind erhältlich unter:
<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.der-hedinger.de/produkte/neuheiten-im-programm/artikel/LAS_100.html" target="_blank">www.der-hedinger.de/produkte/neuheiten-im-programm/artikel/LAS_100.html</a></ext-link>
<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.der-hedinger.de/produkte/neuheiten-im-programm/artikel/LAS200.html" target="_blank">www.der-hedinger.de/produkte/neuheiten-im-programm/artikel/LAS200.html</a></ext-link>
<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.der-hedinger.de/produkte/neuheiten-im-programm/artikel/LAS300.html" target="_blank">www.der-hedinger.de/produkte/neuheiten-im-programm/artikel/LAS300.html</a></ext-link>



<ul>
<li>
1 

 
M. Hasselmann, 
M. Oetken, 
<source>Chemkon 
(2011), 
18, 
160–<lpage>172.</lpage>
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<li>
2 


M. Hasselmann, 
M. Oetken, 
<source>Chemie und Schule, VCÖ 
4/ 
2012, 
6–<lpage>10.</lpage>

</li>
<li>
3 

 
M. Hasselmann, 
M. Oetken, 
<source>Pädagogik der Naturwissenschaften - Chemie in der Schule 
(2013), 
62, 
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</li>
<li>
4 

K. Möller, M. Winter, Primäre und wiederaufladbare Batterien (<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.ak-tremel.chemie.uni-mainz.de/ChiuZ/Script%20TU%20Graz%20Lithium-Batterien.pdf" target="_blank">www.ak-tremel.chemie.uni-mainz.de/ChiuZ/Script%20TU%20Graz%20Lithium-Batterien.pdf</a></ext-link>; Stand: 31.4.2013).
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5 

M. Hasselmann, M. Oetken, Chemie und Schule, VCÖ 3/2013, im Druck.
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<source>J. Electrochem. Soc. 
(2008), 
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7 

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8 


J. O. Besenhard, 
M. Winter, 
<source>Handbook of Battery Materials, Hrsg. von <person-group person-group-type="editor">J. O. Besenhard</person-group>, <publisher-name>Wiley VCH</publisher-name>, <publisher-loc>Weinheim</publisher-loc>, (1999).

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9 

 
M. Winter, 
<source>Z. Phys. Chem. 
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W. Hittorf, 
<source>Z. Elektrochem., 
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