Neue, poröse metallorganische Gerüstverbindungen und organometallische Koordinationspolymere: Darstellung, Charakterisierung und Evaluierung ihres Potentials für die Gasspeicherung und Katalyse

Ziel der vorliegenden Arbeit war zum einen die Entwicklung einer Synthesestrategie und deren praktischen Umsetzung zur Verwirklichung der Idee eines organometallischen Koordinationspolymers, in dem das verknüpfende Bindungsmotiv Metall-Kohlenstoff-Bindungen sind. Der zweite und größere Teil der Arbeit beschäftigte sich mit der Synthese von neuen metallorganischen Gerüstverbindungen auf der Basis von Carboxylatliganden. Diese sollten Eigenschaften besitzen, die sie als Gasspeichermaterialien, vor allem für Methan und Wasserstoff, geeignet erscheinen lassen. Durch Kombination von H3BTB und Co(NO3)2•6H2O wurde ein strukturell hochkomplexes MOF, DUT-28, erhalten, dessen hohe theoretisch, geometrisch berechnete Oberfläche (3875 m2/g) gute Gasspeichereigenschaften hätte erwarten lassen. Leider schlugen sämtliche Versuche, die metallorganische Gerüstverbindung in lösungsmittelfreier Form zu erzeugen, fehl. Es konnte gezeigt werden, dass sich die Raumgruppe, in der DUT-28 kristallisiert, bei Verringerung der Temperatur (298 K auf 100 K) von C2/m zu C2/c ändert. Die durch dieses Faktum implizierte strukturelle Flexibilität könnte ein Grund für das Scheitern aller Bemühungen, DUT-28 unter Erhalt der Struktur zu aktivieren, sein. Die Entdeckung eines metallorganischen Polyeders, bestehend aus sechs Kupferschaufelradeinheiten und 12 Carbazol-3,6-dicarbonsäuren, regte eine Änderung der Synthesestrategie für die Darstellung weiterer MOFs an. Im Gegensatz zu der explorativen Vorgehensweise bei der Synthese von DUT-28 wurden im Folgenden durch Anwendung des sogenannten SBB Konzepts vergleichsweise kontrolliert weitere hochporöse MOFs dargestellt. Das SBB Konzept beschreibt im Kern den Aufbau dreidimensionaler Strukturen durch geeignete Verknüpfung von metallorganischen Polyedern und wurde vor allem durch ZAWOROTKO und EDDAOUDI bekannt. Die Verknüpfung der MOPs kann dabei sowohl über koordinative als auch kovalente Bindungen erfolgen. Ausgehend von dem beschriebenen Carbazol-MOP wurden zwei verschiedene Strukturen generiert, die sich durch Reduktion der SBBs auf 12-konnektive Knoten, als fcu bzw. ftw-a beschreiben lassen. Beide Strukturen wurden jeweils einmal isoretikular erweitert. Im Fall des fcu Netzes wurden die Carbazole über ihren Stickstoff mit einer starren Phenylen (DUT-48) bzw. Biphenylen (DUT-49) verbunden. Zur Erzeugung des ftw-a Netzwerks wurde eine Carboxyphenyl- (DUT 75) bzw. Carboxybiphenyleinheit (DUT 76) an den Carbazolstickstoff gebunden (Abbildung 1). Alle vier Verbindungen müssen überkritisch mit Kohlendioxid getrocknet werden. Alle Verbindungen zeigen hohe bis sehr hohe Oberflächen und Porenvolumina und sehr gute bis herausragende Wasserstoffspeicher- und Methanspeicherkapazitäten. DUT-76 besitzt mit rund 6400 m2/g eine herausragende spezifische Oberfläche und mit 3,25 cm3/g ein sehr großes spezifisches Porenvolumen. Alle vier Verbindungen zeigen hohe bis sehr hohe gravimetrische Speicherkapazitäten für Wasserstoff und Methan. Dabei ragt DUT-49 mit einer Rekordkapazität für Methan von 308 mg/g, und DUT-76 mit einer Wasserstoffkapazität von 82 mg/g, heraus. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass es gelungen ist, eine Reihe metallorganischer Gerüstverbindungen zu synthetisieren, die sehr hohe bzw. rekordbrechende Gasspeicherkapazitäten für die alternativen Energieträger Wasserstoff und Methan aufweisen. Zur Synthese eines organometallischen Koordinationspolymers wurde ein besonders stabiler Übergangsmetallolefinkomplex als Bindungsmotiv gewählt (Abbildung 2a). Dieser Komplex ist nur ein lineares Verknüpfungsmotiv. Zur Herstellung von Dreidimensionalität wurden vier 7-norbornadienylreste, in jeweils 4-Position an ein Tetraphenylsilangerüst geknüpft. Die Synthese des Liganden (TNPS, vgl. Abbildung 2b) gelang in einer kurzen Sequenz von 3 Stufen ausgehend von reinem Norbornadien. Der TNPS-Ligand wurde in einer Ligandenaustauschreaktion mit dem oben genannten Rhodium-Norbornadienkomplex umgesetzt. Dabei wurde eine amorphe, gelartige Substanz erhalten (DUT-37) (vgl. Abbildung 2c und 3a). Durch Röntgenabsorptionspektroskopie, NMR-Experimente und Elementaranalyse konnte gezeigt werden, dass tatsächlich ein Ligandenaustausch stattgefunden hat, und die Bindungsverhältnisse innerhalb des Festkörpers denen im monomeren Komplex entsprechen. DUT-37 konnte ebenfalls nur durch überkritische Trocknung als permanent poröses Material erhalten werden. In diesen Zustand besitzt es eine spezifische Oberfläche von 470 m2/g und ein spezifisches Porenvolumen von 0,38 cm3/g. Es zeigt eine für poröse Polymere charakteristische Hysterese über den gesamten Relativdruckbereich und ist im aktivierten Zustand über mehrere Wochen stabil gegenüber atmosphärischen Bedingungen. DUT-37 zeigt eine merkliche Kapazität für Kohlenstoffmonoxid bei Raumtemperatur. Ein großer Anteil der CO-Moleküle wird allerdings chemisorbiert, was durch IR-Messungen gezeigt werden konnte. Durch Wasserdampfphysisorption konnte eine relativ hohe Hydrophobizität des Materials gezeigt werden, die möglicherweise eine Ursache für die überraschende Stabilität von DUT-37 ist. Abschließend, ist DUT-37 katalytisch aktiv in der Transferhydrierung von Cyclohexanon mit 2-Propanol (Abbildung 3b). Zusammenfassend ist es gelungen, im Rahmen dieser Arbeit erstmals ein poröses organometallisches Koordinationspolymer zu synthetisieren. Dieses zeigte interessante Adsorptionseigenschaften, eine unerwartete Stabilität und katalytische Aktivität