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Die GDCh ermittelt jährlich Daten zur Zahl der Studierenden, abgelegter Prüfungen sowie zur Studiendauer- und dies bereits seit 1952. Die Angaben werden von den Chemiefachbereichen der Hochschulen in Deutschland zur Verfügung gestellt. Die Statistik erfasst Daten der BSc- und MSc-Studiengänge sowie Promotionen in Chemie/Wirtschaftschemie, Biochemie/Life Sciences, Lebensmittelchemie (LM-Chemie) und Daten der Chemiestudiengänge an Hochschulen für Angewandte Wissenschaften (HAW).<h2 type="main">Studienbeginn</h2>Im Jahr 2023 ist die Gesamtzahl der Studierenden im 1. und 2. Fachsemester leicht auf 8248 angestiegen (Vorjahr: 8137). Dies bedeutet, dass die Zahl erneut unterhalb der 10000er-Marke bleibt. Während die Anzahl der Studienanfängerinnen und -anfänger in den Fächern Chemie und LM-Chemie leicht abgenommen hat, ist sie in der Biochemie und an den HAW im Vergleich zum Vorjahr leicht gestiegen.<img alt="image" src="https://media.graphassets.com/dHmvQIgREK251kcmsR7U"><h2 type="main">Studiendauer</h2>Angegeben ist der Medianwert benötigter Semester bis zum MSc-Abschluss (BSc + MSc).<h2 type="main">Verbleib der Absolventinnen und Absolventen</h2>Nahezu alle Studierenden mit BSc-Abschluss an Universitäten und 75 % an HAW schlossen ein Masterstudium an. Rund 87 % der MSc-Absolventinnen und -Absolventen an Universitäten und 15 % an HAW entschieden sich für eine Promotion. Von 48 % der promovierten Absolventinnen und Absolventen (Chemie) ist der erste Schritt ins Berufsleben bekannt und oben abgebildet.<h2 type="main">Abschlüsse</h2>Die Anzahl der BSc-Abschlüsse ist in allen Studienfächern zurückgegangen bzw. in der Biochemie auf dem Niveau des Vorjahres geblieben. Ebenso ist in allen Studiengängen ein Rückgang der MSc-Abschlüsse zu verzeichnen, die Anzahl der 1. Staatsexamen in der LM-Chemie stieg hingegen leicht an. Die Zahl der Promotionen ist sowohl im Bereich der Chemie als auch der Biochemie und LM-Chemie gestiegen.

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Statistik der Chemiestudiengänge 2023

Die GDCh ermittelt jährlich Daten zur Zahl der Studierenden, abgelegter Prüfungen sowie zur Studiendauer- und dies bereits seit 1952. Die Angaben werden von den Chemiefachbereichen der Hochschulen in Deutschland zur Verfügung gestellt. Die Statistik erfasst Daten der BSc- und MSc-Studiengänge sow...

Mit Kronenethern lassen sich Prozesse der Natur nachahmen und verstehen, etwa der Ionentransport durch Zellmembranen. Das macht sie zu idealen Modellsystemen für Schulen. Allerdings fehlte es bislang an Schüler:innenexperimenten mit für Schulen geeigneten Lösemitteln – ein Projekt aus Potsdam ändert dies nun.Die Entdeckung der Kronenether und ihrer strukturspezifischen, selektiven Wechselwirkung mit Kationen liegt etwa 60 Jahre zurück: Ihrem Entdecker Charles Pedersen brachte sie im Jahr 1981 den Nobelpreis für Chemie.1) Die Entdeckung mündete in das Forschungsgebiet der supramolekularen Chemie.2,3) Deren Mittelpunkt sind die Wechselwirkungen zwischen zwei oder mehr Molekülen oder Ionen über nicht-kovalente Bindungen.3,4)Mit Kronenethern, die solche supramolekularen Aggregate bilden, können Chemiker:innen biologische Prozesse nachahmen und verstehen – etwa die Wechselwirkungen zwischen Kationen und Ionencarriern (Kasten S. 31). Ionencarrier sind spezifische molekulare Transportvehikel, die Ionen und polare Stoffe durch sonst dafür undurchlässige Biomembran schleusen.4,6) Monden et al. demonstrierten in den 1980er Jahren im Schulkontext, wie [18]Krone-6 Kaliumionen transportiert; sie nutzten hierfür Chloroform als Modellbiomembran.6)Lösungsmittel wie Chloroform oder Dichlormethan, in denen sich Kronenether besonders gut lösen,5) sind giftig und derartige Experimente deshalb nur schwierig in der Schule umsetzbar. Als für den Schulunterricht geeignet erschloss Kröger (ehem. Krees) etwa im Jahr 2014 die Stoffklasse der Cyclodextrine.7) Dies sind cyclische, aus Glucose-Einheiten bestehende Moleküle, die mit vielen Molekülen ebenfalls supramolekulare Aggregate bilden. Schüler:innenexperimente zu Kronenethern, die auf giftige Lösungsmittel verzichten, fehlen bisher in der fachdidaktischen Literatur.Solche schüler:innengerechte Experimente mit Kronenethern zu entwickeln ist Ziel eines Dissertationsprojekts zur curricularen Innovation am Standort Potsdam.8) Dabei werden Experimente nach den Low-Kriterien9) entwickelt – preisgünstige, risikoarme Schulexperimente, die zügig und ohne hohe technische Anforderungen umsetzbar sind (low-cost, low-risk, low-time, low-tech).9) Zudem sollen Lernmaterialien zum Verständnis der theoretischen Hintergründe von Kronenethern und deren Funktionsprinzipien entworfen werden. Dieser Artikel präsentiert erste experimentelle Ergebnisse des Projekts.<h2 type="main">Komplexierung: Kalium- permanganat löslich machen</h2>Um die Komplexbildung aus einem Valinomycin- oder stellvertretend einem Kronenethermolekül (CE) und einem Alkalimetallkation nachzuweisen, wird klassisch Kaliumpermanganat in einem Lösungsmittel gelöst, in dem es alleine typischerweise unlöslich ist („Solubilisierung“). Üblicherweise dienen dazu Benzol, Chloroform oder Dichlormethan.15) Diese Lösungsmittel lassen sich in der Schule durch Anisol ersetzen: Auch darin sedimentiert Kaliumpermanganat sofort; das Zufügen bereits einer winzigen Menge [18]Krone-6 (18C6) oder Dibenzo[18]Krone-6 (DB18C6) liefert augenblicklich eine kräftig purpurviolette Lösung (<link href="#nadc20244143413-fig-0001">Abbildung 1).<figure xml:id="nadc20244143413-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/Wc3aFKcTx67PaO4ch1Bs"><figcaption><label>Abb.1: </label>Links: Sediment von KMnO4 in 3 mL Anisol; recht: Phasenüberführung nach Zufügen von 0,5 mL einer anisolischen 18C6-Lösung der Konzentration 0,1 mol · L–1; unten: [K(18C6)]+-Komplex. Link zur Projektwebseite: <a href="https://www.banerji-lab.com/kronenether" target="_blank">www.banerji-lab.com/kronenether</a>.18)</figcaption></figure></figure>Beim Phasentransfer komplexiert jeweils ein Kronenethermolekül ein Kaliumion: Dabei sind die Ether-Sauerstoffatome nach innen in Richtung des Kations gerichtet, das von sechs Ion-Dipol-Wechselwirkungen in der Kronenether-Kavität fixiert wird (Abbildung 1). Die hydrophoben Ethylenbrücken (-CH2-CH2-) weisen nach außen, was den Komplex fettlöslich macht.15)Dem positiven Kation-Kronenether-Komplex muss, damit Elektroneutralität herrscht, beim Auflösungsvorgang das Anion in die organische Phase folgen. Das Lösen in der organischen Phase verdeutlicht allgemein der Zusatz (o) in Gleichung 1:KMnO4 (s) + CE (o) [ [K(CE)]MnO4] (o)CE = 18C6, DB18C6Den Komplexierungsvorgang macht das farbgebende Permanganation (MnO4–) leicht sichtbar.16) Die Experimentiervorschrift sowie ein Video zum Experiment stehen auf der Projektwebseite zur Verfügung (QR-Code am Textende).18)<h2 type="main">Dekomplexierung</h2>Das Kaliumion lässt sich aus dem Valinomycinkomplex oder einem Kronenetherkomplex freisetzen, indem das entsprechende Komplexsalz [K(Ionophor)]MnO4 in einem organischen Lösungsmittel gelöst und mit Wasser gewaschen wird. Das Wasser solvatisiert und extrahiert dabei das Metallsalz.4)Die Dekomplexierung lässt sich mit dem wasserunlöslichen DB18C6 zeigen: Man bringt Kaliumpermanganat in Anisol wieder mit DB18C6 (c = 3 mmol · L–1) in Lösung, überschichtet eine Calciumchloridlösung (Konzentration mindestens 1 mol · L–1) mit der KMnO4-DB18C6-Lösung und schüttelt. Da Anisol und Wasser ähnliche Dichten haben, wird Calciumchlorid der wässrigen Phase zugesetzt, um das Entstehen einer Emulsion zu verhindern. Beim Schütteln bleibt DB18C6 in der Anisolphase, Kaliumpermanganat wird gemäß Gleichung 2 in die wässrige Phase extrahiert (<link href="#nadc20244143413-fig-0002">Abbildung 2, S. 29):<figure xml:id="nadc20244143413-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/4b12BfzhS3KGTx7fKaOH"><figcaption><label>Abb.2: </label>Links: wässrige CaCl2-Lösung, überschichtet mit anisolischer Dibenzo[18]Krone-6-KMnO4-Lösung (c(DB18C6) = 3 mmol · L–1), rechts: nach dem Ausschütteln.</figcaption></figure></figure>[K(DB18C6)]MnO4 (o) →DB18C6 (o) + K+ (aq) + MnO4– (aq)Auch für dieses Experiment steht eine ausführliche Experimentieranleitung auf der Projektwebseite zur Verfügung.18)<h2 type="main">Ionentransport in einer Tictac-Dose als Zellmodell</h2>Indem Komplexierung und Dekomplexierung kombiniert werden, lässt sich der Ionentransport durch eine Biomembran modellieren. Ein Modellsystem für den Valinomycin-vermittelten Ionentransport stammt von Dyson aus dem Jahr 1978: Er nutzte ein U-Rohr, in dem Chloroform als Modellmembran vorgelegt wird. In einen der Schenkel wird eine gelbe Kaliumpikratlösung (Spenderphase), in den anderen Wasser (Empfängerphase) gefüllt. Durch Zufügen von Valinomycin zur Chloroformphase diffundiert das Salz sichtbar von der wässrigen Spender- durch die Chloroform- zur Empfängerphase.12)Pikrate sind die Salze der explosiven, giftigen Pikrinsäure (Trinitrophenol), die in der Schule nicht zugelassen sind. Monden und Kolleg:innen ersetzten Kaliumpikrat durch Kaliumpermanganat und Valinomycin durch 18C6. Die Diffusion durch die Chloroformphase ist jedoch äußerst langsam.6) Friedrich und Oetken substituierten Chloroform durch Dichlormethan und beschleunigten den Diffusionsvorgang durch Rühren der Chloroformphase; sie benötigten für den Transfer von Kaliumpermanganat von Spender- zu Empfängerphase trotz Rührens zehn Minuten.16)Um auf halogenierte Lösungsmittel zu verzichten, das Experiment unabhängig von teuren Glasgeräten zu machen und den Ionentransport zu beschleunigen, wurde im Rahmen des Dissertationsprojekts zunächst ein Low-cost-U-Rohr entworfen. Hierzu wurden vier Heißklebestifte (Durchmesser 11 mm) mit Heißkleber zu einem 2×2-Array verklebt. Dieses Array wird in eine Tictac-Dose gesteckt, wodurch eine eckige u-förmige Aussparung in der Dose entsteht. Da das Array ein wenig zu groß für die Tictac-Dose ist, beult es die Dose geringfügig aus und gewährleistet somit, dass die Konstruktion dicht ist. Das sonst üblicherweise genutzte Chloroform oder Dichlormethan lässt sich durch Benzoesäuremethylester ersetzen: Dieser wird in Körperpflegeprodukten wie Shampoo oder Kosmetika als Konservierungsmittel und aufgrund seines süßen, blumigen Geruchs eingesetzt.17) Als eines von wenigen organischen Lösungsmitteln hat es eine größere Dichte als Wasser (ρ = 1,08 g · cm–³) und ist Degintu zufolge im Schüler:innenexperiment uneingeschränkt nutzbar.Für das Experiment mit Benzoesäuremethylester als Modellmembran wird das Low-cost-U-Rohr mit 8 mL Benzoesäuremethylester gefüllt. Ein Schenkel des U-Rohrs wird mit 2,5 mL destilliertem Wasser, der andere mit 2,5 mL einer KMnO4-Lösung (c = 0,1 mol · L–1) überschichtet. Auf der Seite unter der Wasserphase bringt man einen Rührmagneten (10 x 6 mm) an. Knapp unter die KMnO4(aq)/Benzoesäuremethylester-Grenzfläche wird dann 1 mL einer Lösung von 18C6 in Benzoesäuremethylester (c = 0,4 mol · L–1) injiziert, woraufhin sich innerhalb etwa einer Minute ein Salztransfer von der einen in die andere wässrige Phase beobachten lässt (<link href="#nadc20244143413-fig-0003">Abbildung 3).<figure xml:id="nadc20244143413-fig-0003"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/JQkPLj9uQmVqVbMliuKG"><figcaption><label>Abb.3: </label>[18]Krone-6(18C6)-vermittelter Transport von KMnO4 durch eine Modellbiomembran (Benzosäuremethylester). Links: ohne Zugabe von 18C6, Mitte: kurz nach Zufügen von 18C6, rechts: Phasenübertritt in Empfängerphase nach etwa einer Minute.</figcaption></figure></figure>18C6 fungiert in dem Experiment als Modellverbindung für Valinomycin oder einen Ionencarrier in einer Biomembran im Allgemeinen.16) Der Benzosäuremethylester imitiert die Lipidbiomembran. Die Experimentiervorschrift findet sich auf der Projektwebseite.18)<h2 type="main">Ausblick</h2>Weitere Ideen, wie sich Kronenether im Schulunterricht nutzen lassen, sind in der Umsetzung. So wird derzeit getestet, wie sich supramolekulare Prinzipien mit farbigen Salzen demonstrieren lassen, und das Konzept der molekularen Erkennung wird untersucht – also die Fähigkeit von Naturstoffen wie Valinomycin oder von synthetischen Kronenethern, nur bestimmte Kationen spezifisch und selektiv zu binden.3,19) Valinomycin bindet beispielsweise Kaliumionen 10 000-mal besser als Natriumionen.12) Bei den experimentellen Entwicklungen sollen vor allem Bezüge zur Biologie hergestellt werden, was sich als besonders motivationsfördernd im Chemieunterricht erwiesen hat. Zudem sollen Lernmodelle und -materialien entwickelt und gemeinsam mit den Experimenten im Schüler:innenlabor der Universität Potsdam erprobt werden.Detaillierte Versuchsanleitungen gibt es hier:<h2 type="main">Hintergrund: Kronenether – Entdeckung, Struktur und Nomenklatur</h2>Anfang der 1960er wollte Pedersen Bis[2-(o-hydroxyphenoxy)ethyl]ether (5) herstellen (Abbildung a). Er schützte hierzu Catechol (1) mit Dihydropyran (2), wobei (3) entstand. Etwa zehn Prozent (1) blieben ungeschützt. Das Gemisch setzte er mit Bis(2-Chlorethyl)ether (4) um und erhielt nach saurer Aufarbeitung das gewünschte Produkt (5) sowie – in 0,4 Prozent Ausbeute – (6). Diese Verbindung löste sich in Gegenwart von Alkalimetallsalzen in Methanol besser als ohne.Wie Pedersen später zeigte, handelte es sich bei (6) um einen cyclischen Polyether, in dessen Loch (Kavität) Alkalimetallkationen komplexiert werden. Er nannte die Verbindungsklasse nach dem räumlichen Bau dieser Moleküle Kronenether und schuf ein bis heute genutztes Nomenklatursystem. Dabei bezeichnet man die Verbindungen als „[Anzahl der Ringatome]Krone-Anzahl der Sauerstoffatome“. Verbindung (6) nannte er Dibenzo[18]Krone-6 (kurz: DB18C6).5)Etwa zur selben Zeit entdeckte man Naturstoffe, die ebenfalls Alkalimetallkationen binden – etwa Valinomycin,3) das sich aus dem Bakterium Stryptomyces fulvissimus isolieren lässt.13) Es bindet in seinem hydrophilen Inneren spezifisch Kaliumionen (Abbildung b). Dadurch lassen sich diese durch die Lipidmembran von Zellen transportieren (Abbildung c),3,11,12) denn die Alkylgruppen machen die Außenseite des Komplexes stark lipophil.6)Die Gemeinsamkeit der Strukturen von Valinomycin und Kronenethern war schnell erkannt. Dies brachte Pedersens Entdeckung (wahrscheinlich) große Aufmerksamkeit:3) Mit Kronenethern lässt sich die Wirkungsweise des Valinomycin in Modellexperimenten studieren.12)<h2 type="main">Die Autoren</h2>Philipp Meyer (oben) promoviert seit Ende 2022 am Institut für Didaktik der Chemie der Universität Potsdam über Kronenether als Beispielwirte zur Ausbildung supramolekularer Aggregate im Schulunterricht. Nach seinem Ersten Staatsexamen absolvierte er sein Referendariat (Chemie und Latein für das Gymnasiallehramt) in Wiesbaden. Amitabh Banerji ist Professor für Didaktik der Chemie an der Universität Potsdam. Von 2014 bis 2019 war er Juniorprofessor für Chemiedidaktik an der Universität Köln. Er studierte Chemie und Informatik für das Lehramt und promovierte nach dem Referendariat an der Universität Wuppertal. Seine Arbeitsschwerpunkte sind die curriculare Innovationsforschung und die Digitalisierung.<img alt="image" src="https://media.graphassets.com/mH4PQtlsS8qZ03Y1YkSw"><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/l1MilBfDS5WckfY1TGCf"><h2 type="main">AUF EINEN BLICK</h2>Kronenether bilden supramolekulare Aggregate mit Alkalimetallionen, indem sie diese in ihrem Inneren einschließen.Dieser Vorgang macht beispielsweise Kaliumpermanganat in einem Lösungsmittel löslich, in dem es alleine typischerweise unlöslich ist. Dadurch lassen sich Zelltransportprozesse durch eine Modellbiomembran imitieren.Klassischerweise dienen als Lösungsmittel Benzol, Chloroform oder Dichlormethan. In der Schule kann Anisol diese ersetzen.<ul class="references" cited="no" style="numbered" xml:id="nadc20244143413-bibl-0001"><li xml:id="nadc20244143413-bib-0001">1 Charles Pedersen, Nobelpreis für Chemie 1987: <a href="https://nobelprize.org/prizes/chemistry/1987/pedersen/facts/" target="_blank">nobelprize.org/prizes/chemistry/1987/pedersen/facts/</a></li><li xml:id="nadc20244143413-bib-0002">2 G. Gokel, Crown Ethers and Cryptands, in Monographs in Supramolecular Chemistry (herausgegeben von J. F. Stoddart), The Royal Society of Chemistry 1991, S. 1–2, 19</li><li xml:id="nadc20244143413-bib-0003">3 S. Kubik, Supramolecular Chemistry. From Concepts to Applications, Walter de Gruyter GmbH, Berlin/ Boston 2021, S. 1–6; S. 101–102</li><li xml:id="nadc20244143413-bib-0004">4 J. W. Steed, D.R. Turner, K.J. Wallace, Core concepts in supramolecular chemistry and nanochemistry. John Wiley &amp; Sons, West Sussex, England 2007, S. 1; S. 36</li><li xml:id="nadc20244143413-bib-0005">5 C. J. Pedersen, Angew. Chem. Int. Ed. 1988, 27(8), 1021</li><li xml:id="nadc20244143413-bib-0006">6 W. Monden, G. Kosmann, H. Harde, Unterricht Biologie (1980); Zeitschrift für die Sekundarstufe, 4 (46), S. 40–43</li><li xml:id="nadc20244143413-bib-0007">7 S. Krees, Wirt-Gast-Komplexe mit Cyclodextrinen: Strukturelle Merkmale und didaktisches Potenzial, Dissertation, Univ. Wuppertal 2009</li><li xml:id="nadc20244143413-bib-0008">8 M. W. Tausch, PdN – Chemie in der Schule 2004, 53(8), 18</li><li xml:id="nadc20244143413-bib-0009">9 A. Banerji, A.-K. Schönbein, L. Halbrügge, World J. Chem. Educ. 2018, 6(1), 54</li><li xml:id="nadc20244143413-bib-0010">10 H. Brockmann, G. Schmidt-Kastner, Chem. Ber. 1955, 88(1), 57</li><li xml:id="nadc20244143413-bib-0011">11 C. Moore, B. C. Pressman, Biochem. Bioph. Res. Co. 1964, 15(6), 562</li><li xml:id="nadc20244143413-bib-0012">12 R. D. Dyson: Cell Biology. A molecular Approach. Allyn &amp; Bacon, Boston/London/Sydney/Toronto 1978, 279–281.</li><li xml:id="nadc20244143413-bib-0013">13 H. Valkenier, A. P. Davis, Acc. Chem. Res. 2013, 46(12), 2898</li><li xml:id="nadc20244143413-bib-0014">14 Saylor Academy (2012): Principles of General Chemistry, v. 1.0 M, <url href="https://t1p.de/jdwpk"><a href="https://t1p.de/jdwpk" target="_blank">t1p.de/jdwpk</a></url></li><li xml:id="nadc20244143413-bib-0015">15 E. Weber, PdN – Chemie in der Schule 1996, 45(4), 7</li><li xml:id="nadc20244143413-bib-0016">16 J. Friedrich, M. Oetken, PdN– Chemie in der Schule 2013, 62(8), 29</li><li xml:id="nadc20244143413-bib-0017">17 M. M. Mostafiz, E. Hassan, K.-Y. Lee, Agriculture 2022, 12(3), 378</li><li xml:id="nadc20244143413-bib-0018">18 P. Meyer: Kronenether in der curricularen Innovation, Projektwebseite: <a href="https://banerji-lab.com/kronenether" target="_blank">banerji-lab.com/kronenether</a>, letzter Zugriff: 4/2024</li><li xml:id="nadc20244143413-bib-0019">19 P. Y. Bruice, Organische Chemie: Studieren kompakt. Pearson Studium Deutschland 2011, S. 425</li></ul>

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