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Ziel der vorliegenden Arbeit sind Strukturuntersuchungen an geplant gezüchteten Einkristallen elektronenreicher Iod- und Schwefel-Verbindungen, ergänzt durch zugehörige Dichtefunktionaltheorie-Berechnungen. Besonderes Augenmerk gilt insbesondere Molekülen mit Thiophenyl-Substituenten R-S-(C6H5) und ihren isovalenzelektronischen Derivaten vom Typ R-NH-(C6H5) sowie den bisher unbekannten Donator/Akzeptor-Komplexen des Iodanils. Durch optimierte Auswahl jeweils geeigneter Lösungsmittel und Kristallisationsbedingungen gelingt es, zahlreiche unterschiedliche Typen kristalliner Nichtmetall-Verbindungen zu züchten. Die Strukturen der isolierten Einkristalle werden durch Vergleich mit bereits literaturbekannten sowie anhand quantenchemischer Berechnungen diskutiert und vertiefen das Verständnis der experimentellen Befunde wesentlich. ... Insgesamt belegen die in der Dissertation detalliert beschriebenen Ergebnisse, daß Kombinationen von gezielter Kristallzüchtung, anschließender Strukturbestimmung und quantenchemische Berechnungen zahlreiche Informationen über Wechselwirkungen in Kristallen liefern. So verdeutlicht die anschauliche Betrachtung der I2-Komplexe durch zugehörige Einkristallstrukturen sowie quantenchemische Modellrechnungen, daß auch geringe Wechselwirkungen teils beträchtliche Einflüsse auf Stöchiometrien und Strukturparameter in Kristallen ausüben. Das Schlußbeispiel Tris(thiophenyl)methan-Dimer belegt durch alle notwendigen Messungen wie Kristallstrukturanalyse, quantenchemische hochkorrelierte Berechnungen und massenspektrokopische Messungen, wie sich durch das Zusammenwirken moderner Methoden unerwartete Ergebnisse für einen neuartigen Verbindungstyp festigen lassen. Die lohnenden Ergebnisse der Untersuchungen erweitern die Kenntnisse statischer Aspekte bei Selbstorganisations-Phänomenen.
Synthese, Reaktivität und strukturelle Vielfalt im Festkörper von Ferrocenylboranen und -boraten
(2013)
Die vorliegende Arbeit beschäftigte sich mit der Entwicklung, Synthese und
Charakterisierung neuartiger redoxaktiver Liganden und deren Metallkomplexen. Basierend
auf dem para- und ortho-Hydrochinon / Benzochinon-Redoxsystem wurden 13 neue
Bis(pyrazol-1-yl)methan-Liganden (28 – 36 und 67 – 70; Schema 47) synthetisiert und
vollständig charakterisiert. Ein Schwerpunkt lag auf der Einführung von Substituenten am
Bis(pyrazol-1-yl)methan-Donor, um deren Einfluss auf das N,N′-Koordinationsverhalten
gegenüber Metallionen zu untersuchen. In Analogie zu den klassichen Skorpionaten sind
Substituenten in Position 3 der Pyrazolringe in der Lage, koordinativ ungesättigte
Metallzentren kinetisch zu stabilisieren, was für potentielle Anwendungen in der Katalyse
essentiell ist. Bei den ortho-chinoiden Liganden (67 – 70; Schema 47) erfüllt die redoxaktive
Gruppe eine zweite Funktion, nämlich als Chelatdonor gegenüber Metallzentren, was die
Synthese und Untersuchung (hetero-)dinuklearer Komplexe erlaubt.
Schema 47: In dieser Arbeit synthetisierte und charakterisierte redoxaktive Bis(pyrazol-1-yl)methan-
Liganden.
Die kristallographische Charakterisierung von 10 dieser Liganden (28 – 33, 67 – 70) zeigte
größtenteils sehr ähnliche strukturelle Parameter. Ein steigender sterischer Anspruch der
Substituenten am Bis(pyrazol-1-yl)methan führte zu einer leichten Streckung der
Chinon–Bis(pyrazol-1-yl)methan-Bindung und zu kurzen Kontakten zwischen Substituenten
am zentralen Methin-Kohlenstoffatom und den ipso- (HQ-C1) bzw. ortho-Kohlenstoffatomen
(HQ-C2) am sechsgliedrigen Ring. Diese kurzen Kontakte spielten in der oxidativen
Demethylierung von 32 eine Rolle. Während alle anderen para-chinoiden Liganden mit
Cerammoniumnitrat (CAN) zu den erwarteten para-Benzochinon-Derivaten reagierten
(Schema 48), wurde im Zuge der Oxidation von 32 ein zusätzliches Sauerstoffatom am
sechsgliedrigen Ring eingeführt (47; Schema 48). Im Gegenzug wurde die sterisch am
stärksten abgeschirmte Methoxygruppe nicht oxidativ demethyliert. Letztendlich konnte
gezeigt werden, dass (i) das neu eingeführte Sauerstoffatom von atmosphärischem Sauerstoff
stammt und (ii) alle fünf Methylgruppen und beide Methoxygruppen in 32 für die Oxidation
essentiell sind.
Zusammenfassung
72
Schema 48: Oxidation der para-chinoiden Bis(pyrazol-1-yl)methan-Liganden mit CAN.
Die Cyclovoltammogramme der ortho-chinoiden Bis(pyrazol-1-yl)methan-Liganden
(untersucht am Beispiel von 67, 68 und 70) zeigten irreversible Redoxwellen, da im Zuge der
Oxidation OH-Protonen abgespalten wurden; die Redoxpotentiale liegen in einem mit
chemischen Oxidationsmitteln gut zugänglichen Bereich. 70 wurde von CAN erfolgreich
oxidiert, das Produkt 71 zersetzte sich unter den Reaktionsbedingungen allerdings sehr
schnell und konnte nicht isoliert, sondern lediglich als Additionsprodukt von 4-tert-
Butylpyridin abgefangen werden. Unter optimierten Reaktionsbedingungen und mit DDQ als
Oxidationsmittel ließen sich 70 und 68 in ihre oxidierte Form überführen und in Reinform
gewinnen. Die für ortho-Benzochinone typische Neigung zur Zersetzung wurde auch bei 71
und 73 beobachtet, wobei letzteres sich wesentlich schneller zersetzte (innerhalb von
Stunden) als 71 (innerhalb eines Tages).
Abb. 36: N,N′-Cobalt- und Palladium-Komplexe 59, 60, 74 und 75.
Die Koordinationschemie repräsentativer Vertreter der 13 redoxaktiven Bis(pyrazol-1-
yl)methan-Liganden wurde untersucht. Bereits der sterisch nur mäßig anspruchsvolle parachinoide
Ligand 29 ist in der Lage, koordinativ ungesättigte CoII-Ionen kinetisch gegenüber
der Bildung von 1:2 Komplexen zu stabilisieren. Im Festkörper liegen ausschließlich
Verbindungen mit einer 1:1 Zusammensetzung von Ligand zu CoII vor (59 und 60; Abb. 36).
In Lösung scheinen hingegen Gleichgewichte zu existieren, in denen auch die koordinativ
abgesättigten oktaedrischen 2:1 Komplexe auftreten. Die ortho-chinoiden Liganden 67 und 68
bildeten selektiv entsprechende N,N′-koordinierte PdCl2-Komplexe, ohne dass das ortho-
Hydrochinonat (Catecholat) als konkurrierender O,O′-Donor wirkte (74 und 75).
Zusammenfassung
73
Es zeigte sich jedoch auch, dass sterisch sehr anspruchsvolle Substituenten am
Bis(pyrazol-1-yl)methan-Fragment in Reaktionen mit Übergangsmetallen zu einer Zersetzung
des Ligandengerüsts führen können. So reagierte der para-chinoide tert-Butyl-substituierte
Ligand 31 mit [Co(NO3)2] zu [(HpztBu,H)2Co(NO3)2] (63). Eine analoge Zersetzung zu trans-
[(HpzR,H)2PdCl2] (76: R = Ph und 77: R = tBu) wurde nach der Reaktion der ortho-chinoiden
Liganden 69 bzw. 70 mit [PdCl2]-Quellen beobachtet.
Schema 49: Synthese von O,O′-Koordinationskomplexen der ortho-chinoiden Bis(pyrazol-1-
yl)methan-Liganden 68, 69 und 70.
Die ortho-chinoiden Bis(pyrazol-1-yl)methan-Liganden (67 – 70) besitzen mit ihrem
Catecholat-O,O′-Donor eine zweite Koordinationsstelle, was diese Liganden für die Synthese
von dinuklearen Komplexen interessant macht. Da gezeigt werden konnte, dass [PdCl2]
selektiv an den Bis(pyrazol-1-yl)methan-Donor koordiniert (vgl. 59, 60, 74 und 75; Abb. 36),
galt es als nächstes zu evaluieren, ob eine ähnlich selektive Bindung anderer Metallionen an
den O,O′-Donor möglich ist.
Abb. 37: Molekulare Strukturen ausgewählter O,O′-Koordinationskomplexe ortho-chinoider
Bis(pyrazol-1-yl)methan-Komplexe 82 (links), 83 (Mitte) und 85 (rechts).
In der Tat konnten in sehr guten Ausbeuten O,O′-gebundene [(p-cym)Ru]-, [(Phpy)2Ir]-
und [(Cp*)Ir]-Komplexe ausgewählter redoxaktiver ortho-chinoider Liganden dargestellt
werden. Vorteilhaft war die Verwendung der kristallinen, nicht-flüchtigen Base TlOtBu zum
Abfangen der im Zuge der Komplexierung freiwerdenden Protonen (Schema 49, Abb. 37).
Die Eliminierung von TlCl sorgt für eine irreversible Reaktion zu den entsprechenden
Zusammenfassung
74
Komplexen. Besonders interessant ist die Koordinationschemie des Liganden 68 im chiralen,
anionischen IrIII-Komplex 83 (Abb. 37 Mitte), der in der Synthese als Thallium-Salz anfiel
und im Festkörper TlI-verbrückte Dimere bildete.
Eine elektrochemische Charakterisierung wurde mit 85 durchgeführt. Wie erwartet, zeigte
der komplexierte Bis(dimethylpyrazol-1-yl)methan-Ligand im Gegensatz zu freiem 68 eine
reversible Oxidationswelle. Die Potentialdifferenz zwischen Liganden-Oxidation und Iridium-
Reduktion beträgt fast 2 V, was in diesem Zusammenhang bedeutet, dass sich 68 als
unschuldiger Ligand verhält und man Iridium zweifelsfrei die Oxidationsstufe +III zuweisen
kann. Mit Komplexen von 68 und leichter reduzierbaren Übergangsmetallen sollte es
hingegen möglich sein, in den Bereich des nicht-unschuldigen Verhaltens vorzudringen und
z.B. Valenz-Tautomerie zu beobachten.
Mit effizienten Synthesewegen zu N,N′-Komplexen einerseits (74 und 75; Abb. 36) und
O,O′-Komplexen andererseits (u.a. 83 und 85; Abb. 37) wurde als nächstes ein heterodinuklearer
Komplex synthetisiert (87; Schema 50). 68 erwies sich als am besten geeigneter
Ligand, da er, wie bereits erwähnt, eine gute Löslichkeit bei moderatem sterischen Anspruch
besitzt und der N,N′-Donor auch in Gegenwart von Lewis-sauren Metallionen beständig ist.
Die Wannenform des Bis(pyrazol-1-yl)methan-PdII-Chelatrings in 87 bringt das Palladium-
Ion in räumliche Nähe zum ortho-Hydrochinonat π-System. In früheren Studien dieser
Arbeitsgruppe konnte gezeigt werden, dass ein solches Arrangement Elektronenübertragungen
zwischen dem Chinon und dem koordinierten Palladium-Zentrum erlaubt.
Durch die direkte konjugative Wechselwirkung des zweiten Metallzentrums (IrIII) mit der
redoxaktiven Gruppe über die Sauerstoffatome in 87 sollte eine effektive elektronische
Ligand ↔ Metall- und Metall ↔ Metall-Kommunikation möglich sein. Die elektrochemische
Charakterisierung zeigte allerdings, dass im vorliegenden Fall die Potentiale der drei
Komponenten Chinon / PdII / IrIII mit jeweils ca. einem Volt zu weit auseinander liegen.
Schema 50: Synthese eines hetero-dinuklearen IrIII/PdII-Komplexes.
Im letzten Teilgebiet dieser Arbeit wurde die Eignung der ortho-chinoiden Liganden 67
und 70 für den Aufbau höhermolekularer Koordinationsverbindungen und oligonuklearer
Aggregate untersucht.
Zusammenfassung
75
Schema 51: Synthese der oktaedrischen Komplexliganden 89 – 96.
Dafür wurden Komplexliganden synthetisiert, die aus einem Zentralmetall bestehen, das
oktaedrisch von je drei O,O′-koordinierenden Liganden 67 bzw. 70 umgeben ist (Schema 51).
Mit den freien Bis(pyrazol-1-yl)methan-Donorgruppen vermag jeder dieser Komplexliganden
drei weitere Metallzentren zu koordinieren. Derartige Verbindungen könnten aufgrund ihrer
dreidimensionalen Struktur z.B. Anwendung im Aufbau von redoxaktiven metallorganischen
Netzwerken oder elektrisch leitfähigen Koordinationspolymeren finden. Als Zentralmetalle
dienten FeIII- und AlIII-Ionen; erstere, weil sie selbst redoxaktiv sind, und letztere, weil sie
eine im Vergleich zu FeIII ähnliche Koordinationschemie besitzen, aber wegen ihres
Diamagnetismus‘ eine NMR-spektroskopische Charakterisierung ermöglichen. Je nach
verwendeter Base wurden die dreifach anionischen Komplexliganden als Lithium- bzw.
Thallium-Salze isoliert. Die NMR-Spektren von 89, 90, 93 und 94 zeigten jeweils nur einen
Signalsatz, obwohl sich, bedingt durch die Asymmetrie des Liganden und die Chiralität des
oktaedrischen Metallzentrums, fac- und mer-Isomere bilden können. Es konnte nicht
abschließend geklärt werden, ob sich exklusiv das höhersymmetrische fac-Isomer bildet, oder
ob ein Mechanismus aktiv ist, der alle Isomere auf der NMR-Zeitskala schnell ineinander
überführt, sodass die Gegenwart lediglich einer Spezies vorgetäuscht wird. In
elektrochemischen Untersuchungen zeigten die Komplexliganden mehrere irreversible
Oxidationswellen. Ob dieses Verhalten auf eine intramolekulare Kommunikation der
einzelnen redoxaktiven Gruppen zurückzuführen ist, müssen weitergehende Studien zeigen.
Als prinzipieller Beleg für die präparative Anwendbarkeit der Komplexliganden und
Grundlage für die Untersuchung der Koordinationschemie der oktaedrischen
Komplexliganden, wurden PdII-Komplexe von 89 und 93 synthetisiert.
Organische Verbindungen sind für den Einsatz in der Elektronik und Optoelektronik von großem Interesse, da ihre Eigenschaften durch Derivatisierung gezielt verändert werden können. Eine vielversprechende Strategie ist hierbei der Einbau von Hauptgruppenelementen (z.B. Boratomen) in die Kohlenstoffgerüste.
Bislang fehlte jedoch ein detaillierter Vergleich der optischen und elektronischen Eigenschaften einer umfassend charakterisierten Kohlenwasserstoffspezies mit denen einer isostrukturellen Bor-dotierten Verbindung. In unserer Gruppe wird 9,10-Dihydro-9,10-diboraanthracen (DBA) als Bor-haltiger Baustein zum Aufbau lumineszierender Polymere genutzt. Das isostrukturelle Kohlenstoffanalogon zum DBA-Fragment stellt hierbei das Anthracen-Gerüst dar. Vor diesem Hintergrund wurden in dieser Arbeit die elektronischen, strukturellen und optischen Eigenschaften des DBA-Derivats 30 und des Anthracen-Derivats 31 umfassend untersucht und miteinander verglichen, wobei signifikante Unterschiede zwischen der Kohlenstoffverbindung 31 und dem Bor-dotierten Analogon 30 beobachtet wurden.
In der organischen Elektronik werden Moleküle mit konjugierten pi-Elektronensystemen als Halbleiter und Lichtemitter eingesetzt. Für die Fabrikation fortschrittlicher elektronischer Bauelemente, wie z. B.organischer Leuchtdioden, werden Materialien mit besonderen optoelektronischen Eigenschaften benötigt.Die Stoffklasse der Arylamine ist für den Transport positiver Ladungen etabliert, da die exozyklischen Stickstoffatome Elektronenlöcher mesomer zu stabilisieren vermögen. Komplementär dazu sind auch Materialien für den Transport negativer Ladungen in der organischen Elektronik unverzichtbar. Zu diesem Zweck sollten borhaltige Verbindungen ideal geeignet sein, da das Element Bor weniger Valenzelektronen als Kohlenstoff besitzt und Arylborane daher im Vergleich zu den entsprechenden Kohlenwasserstoffen eine geringere Elektronendichte aufweisen. Als Halbleitermaterialien sind Arylborane jedoch nicht so weit verbreitet wie Arylamine, da die Instabilität vieler Vertreter gegenüber Luft und Feuchtigkeit sowie der Mangel an effizienten Synthesemethoden ihre Anwendung verzögert haben. Um geeignete organische Elektronenleiter bereitzustellen, ist die Entwicklung stabiler, pi-konjugierter Borane erstrebenswert. Ansatzpunkte für diese Arbeit waren Erkenntnisse aus der vorangegangenen Masterarbeit, sowie Beispiele für hydrolysestabile Arylborane, welche in der jüngeren Vergangenheit von M. Wagner et al. Und S. Yamaguchi et al. veröffentlicht wurden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit gelang die Entwicklung einer modularen Synthesestrategie, die einen vielseitigen Zugang zur Stoffklasse der borhaltigen polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAKs) ermöglicht: Ausgehend von einem gut verfügbaren siliziumhaltigen Startmaterial und diversen, zum Großteil kommerziell erhältlichen, Carbonylverbindungen wurden mehr als zwanzig verschiedene Triarylborane dargestellt. Dabei wurde eine Auswahl spezieller Reaktionstypen nach den jeweiligen Erfordernissen in geeigneter Weise miteinander kombiniert. Zu diesen gehörte die Peterson-Olefinierung zum Aufbau drei- und vierfach substituierter Alkene, die Photozyklisierung der resultierenden Stilben-artigen Verbindungen, eine Ru(II)-katalysierte Reaktion zur Benzanellierung und der Silizium/Bor Austausch mittels BBr3. An wichtigen Zwischenprodukten wurden Reaktivitätsstudien durchgeführt, um die Anwendungsmöglichkeiten und Einschränkungen dieser Synthesestrategie zu ergründen. Um die Stabilität der Produkte gegenüber Luft und Feuchtigkeit zu gewährleisten, wurden die reaktiven Borzentren in bewährter Weise durch Einführung eines sterisch anspruchsvollen Mesitylsubstituenten kinetisch abgeschirmt. Die überwiegende Zahl der synthetisierten borhaltigen PAKs erwies sich als absolut unempfindlich gegenüber Wasser und konnte mit den gängigen Methoden der organischen Chemie (z. B. Säulenchromatographie an Kieselgel) gereinigt werden. Als Alternative zur sterischen Abschirmung wurde der Einbau des Boratoms in ein starres Molekülgerüst an einem Ausführungsbeispiel verwirklicht. Diese zweite Möglichkeit der Stabilisierung stellte sich in Bezug auf die Eigenschaften des Produkts als vergleichbar heraus, erforderte aber einen größeren synthetischen Aufwand und lieferte eine geringere Ausbeute über die gesamte Reaktionssequenz. Die in dieser Arbeit dargestellten borhaltigen PAKs wurden mittels Röntgenkristallographie umfassend strukturell charakterisiert. Die intensiv genutzten Methoden Cyclovoltammetrie, UV/vis- und Fluoreszenzspektroskopie gewährten zusätzlich einen detaillierten Einblick in ihre elektronischen Strukturen. Die Synthese und systematische Variation der Moleküle führten zu neuen Erkenntnissen über grundlegende Struktur-Eigenschafts-Beziehungen. Insbesondere zeigten diese Vergleiche, dass in ladungsneutralen Triarylboranen keine Delokalisation der pi-Elektronen über das leere p-Orbital eines Boratoms stattfindet. Von entscheidender Bedeutung für die elektronische Struktur borhaltiger PAKs ist das Gerüst aus sp2-hybridisierten Kohlenstoffatomen: Wenn mindestens zwei der Arylsubstituenten am Boratom zu einem gemeinsamen Gefüge verbrückt sind, zeigen diese Verbindungen elektronische Übergänge im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums und in den meisten Fällen auch eine intensive Fluoreszenz. Des Weiteren besitzen diese borhaltigen PAKs eine hohe Elektronenaffinität und lassen sich elektrochemisch reversibel reduzieren. Damit erfüllen sie bedeutende Kriterien für eine mögliche Anwendung als Elektronenleiter. Von den Molekülen mit ausgedehntem pi-Elektronensystem ließen sich manche zusätzlich reversibel oxidieren und zeichnen sich daher durch eine außergewöhnlich hohe elektrochemische Stabilität aus. An Arylboranen, deren Farbe sich durch externe Stimuli verändern lässt, wurden grundlegende Untersuchungen im Kontext der molekularen Sensorik durchgeführt. Einige der synthetisierten Verbindungen ändern ihr Absorptions- und Emissionsspektrum bei Kontakt mit Fluorid-Ionen, bei Oxidation integrierter Schwefelatome durch ein Carbonsäureperoxid, bei elektrochemischer Reduktion oder in Abhängigkeit der Polarität ihrer Umgebung. Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden in vier Fachartikeln beschrieben und veröffentlicht (siehe Anhang). Sie können zu einem besseren Verständnis der elektronischen Eigenschaften borhaltiger PAKs beitragen und die Entwicklung neuer Halbleitermaterialien auf der Basis dieser Stoffklasse erleichtern.
Chalcogen-based species are common ligands in transition-metal chemistry and display a variety of coordination modes. Like alkyl- and arylchalcogenolates, silylchalcogenolates are able to stabilize transition-metal complexes. Metal chalcogenolates LnM-ESiR3 with small organic residues R can serve as precursors for larger metal–chalcogenide clusters, which can be accessed by cleaving the E-Si bond. Furthermore, large silyl residues at the chalcogen atom serve to kinetically stabilize reactive systems. To explore the diverse chemistry of this class of compounds, a number of different silyl chalcogenolates were synthesized, including the sodium siloxide Ph2MeSiONa and the chalcogen derivatives of the extremely sterically hindered silyl residues tBu2PhSi- und tBu3Si-. The anionic silyl species tBu2PhSiNa and tBu3SiNa nucleophilically degrade elemental chalcogens (S, Se, and Te), thus producing the silyl chalcogenolates tBu2PhSiENa and tBu3SiENa (E = S, Se, Te). The chemical and structural properties of these compounds were studied. Protonolysis produces the corresponding chalcogenols tBu2RSiEH, while oxidation leads to the dichalcogenides tBu2RSiE-ESiRtBu2 (R = tBu, Ph; E = S, Se, Te). Oxidative addition of the dichalcogenides to metal centers in low oxidation states offers one route to chalcogenolate complexes. To investigate the realm of this approach, three oligochalcogen compounds R3SiE-E′n-ESiR3 were synthesized. The tetrasulfane tBu3SiS-S2-SSitBu3 and the chalcogen(II)dithiolates (tBu3SiS)2Se and (tBu3SiS)2Te were produced, and their stability was investigated. The direct comparison of isoelectronic species allows for a deeper understanding of their similarities and differences. The silanides R3Si– can be considered as anionic phosphane analogues in which a phosphorus atom has been formally replaced with a Si– unit. Phosphanylborhydrides R2BH3P– also belong to this isoelectronic series. The same analogy holds true for the chalcogen derivatives related to the phosphane chalcogenides R3P=E. With this in mind, complexes of the CpFe(CO)2 fragment with the different isoelectronic ligands were synthesized and compared. The silyl-based ligands were found to be the strongest donors of the two isoelectronic series. The differences in donor strength were roughly twice as large for the nonchalcogen species as for the chalcogen-based ligands. To further investigate the chemistry of transition-metal silyl chalcogenolate complexes, the coordination behavior of the chalcogenolates tBu2RSiE– (R = tBu, Ph; E = S, Se, Te) was studied. Salt metathesis of silyl thiolates with appropriate metal halides leads to the multinuclear complexes [Cu(SSitBu2Ph)]4 and [ZnCl(SSitBu3)(THF)]2. Metathesis products were identified in the reactions of BrMn(CO)5 with one or two equivalents of tBu3SiSNa(THF)2. Diproporationation of these compounds leads to dimeric Mn(I)Mn(II) complexes. The crystal structure of the dinuclear disproportionation product [(CO)3Mn(mu-SSitBu3)3Mn(SSitBu3)]– displays a terminal tBu3SiS– ligand, which coordinates with a Mn-S-Si angle of 180°. This geometry indicates that the thiolate can be considered as a six-electron donor (2 sigma e–, 4 pie–), analogous to the cyclopentadienyl ligand. Photoinduced oxidative addition of the dichalcogenides to Fe(CO)5 leads to the dimeric complexes [(CO)3Fe(ESitBu3)]2 (E = S, Se, Te). The tellurolate complex forms quantitatively within 8 h. The thiolate complex, on the other hand, is formed slowly over a period of six months. IR-spectroscopic investigation of the CO vibrations of the three homologous complexes indicates that the tellurolate is the strongest donor of the series.
This thesis primarily covers a systematic assessment of quantum chemical methods to predict accurate 19F NMR shifts for fluoroarenes and magnetic exchange coupling constant (J) in organic spin dimers which are basic building blocks for rational designing of organic magnetic materials.
One of the most important goals in chemistry is to design and synthesize molecules with optimum properties. This thesis is divided into two parts: the first part comprises of a systematic effort to find an inexpensive quantum chemical method to predict accurate 19F NMR chemical shifts (within an accuracy of 2 ppm) for perfluoraromatics. Essentially, these strenuous efforts have been devoted to find best DFT functional and basis set combination to predict accurate 19F shifts. In addition,the influence of geometrical parameters, solvents, chemical environment was also analyzed. Various correction approaches were tested to correct the calculated shifts. The influence of various functionals and basis sets was also analyzed on the correction efficiency of an individual scheme. All the NMR calculation methods already being used and correction approaches were verified to predict shifts of three different fluorine-substituted molecular sets. These structure sets include fluorobenzenes, substituted benzenes and fluorine substituted aromatic fused rings (e.g. fluorine substituted anthracene).
In the second part of this thesis, we investigated the accurate prediction of magnetic exchange couplings (J) for organic spin dimers using quantum chemical methods. We analyzed the performance of various DFT methods and various post-HF methods, such as the CASSCF, CASPT2, MSTDISD, DDCI1, DDCI2, DDCI3, and FCI to predict magnetic exchange couplings (J).
Overview of the Chapters:
Chapter 1, presents a brief theoretical introduction to the Schrödinger equation and its application in quantum mechanical calculations, the Hartree-Fock approximation, basis sets, electron correlation energy, and density functional theory (using pure and hybrid functionals).
In chapters 2 and 3, an introduction is given for quantum chemical approaches used to calculate NMR parameters and magnetic exchange coupling constants. We discuss an effective spin Hamiltonian, the Breit-Pauli Hamiltonian (BPH), chemical shielding tensor and total energy relationship, measuring of the NMR spectra, and different techniques to deal with gauge origin problem. In addition, the theoretical background of magnetic exchange coupling constant calculation for spin dimers, the Heisenberg-Dirac-van-Vleck Hamiltonian (HDVV) and the Noodelman's broken-symmetry approach for calculating J values are briefly discussed.
Chapter 4, presents a benchmark study of various DFT functionals and basis sets to calculate accurate C-F bond lengths and 19F chemical shifts. High-resolution NMR spectral data of complex molecules are often difficult to interpret. Great scientific efforts have been devoted to search for a computational approach to interpret experimental NMR data. Quantum chemical methods such as the CCSD(T) method offer high accuracy in calculation of NMR parameters but being computationally too demanding they cannot be applied to large chemical systems. On the other hand, density functional theory (DFT) is achieving a steady progress among diversity of computational techniques. An accuracy within 2 ppm deviation from the experimental values in 19F chemical shifts can be achieved if the NMR calculation is performed using accurate equilibrium geometries, GIAO is used to tackle gauge origin problem and electron correlation is properly treated by employing a high level of theory (e.g. CCSD (T)/cc-pVQZ). We found that the calculation of 19F shielding tensors with the density-functional theory does not provide any noticeable improvement over the HF method. Post-HF theory demands too much computational resources that makes them impossible to use for large systems [35] .
We found that a quantitative prediction of NMR shifts can be made as the errors introduced by theoretical methods are cancelled out while calculating shifts. Various benchmark studies in this thesis show that 19F chemical shifts calculated for perfluoraromatics with the M06-L, BHandH, BHandHLYP in combination with the 6-311+G (2d,p) basis set are within 4 ppm deviation from the experiments. Furthermore, we noted that NMR calculations on accurate
C-F (e.g. PBE/6-311G (d, p)) bond lengths does not show any improvement if the NMR calculation and optimization are performed at the same level of theory. A significant improvement can be achieved on calculated 19F NMR shifts, if some correction schemes are used.
In chapter 4 we discuss various correction schemes applied to correct the calculated 19F chemical shifts. A multi-standard approach (MSTD) was used to minimize the error that may occur due to the difference in the nature of the reference compound and test molecules [122]. We propose another approach to correct shielding constants which is the reference corrected approach. This approach makes a correction similar to the MSTD. We also tested a Linear Regression Correction Approach and we noted that this is the best approach amongst all. This is found to be less dependent on the theoretical method. We use conformation averaging corrections to correct the calculated shifts[126].
...
Chlorsilane stellen Schlüsselsubstanzen zur Herstellung von elementarem Silicium dar. Zum Beispiel ist HSiCl3 ein wichtiger Ausgangsstoff im Siemensprozess[1, 2]. Chlorsilane werden unter anderem zur Herstellung von Silikonen im Müller-Rochow-Prozess[3-5] verwendet. Bei beiden Prozessen werden Silylene[6-10] als Schlüsselmediate in den Reaktionen angenommen. So auch bei der Bildung von höheren Perchlorsilanen (Reaktion b), die nur in Form komplexer Polymergemischen erhalten werden. In der vorliegenden Dissertation wurde die Plausibilität eines auf Silylen basierenden Reaktionsmechanismus zur Bildung und Reaktivität von Chlorsilanen quantenchemisch untersucht.Mit den Berechnungen aus dieser Arbeit konnten diese molekularen Prozesse aufgeklärt werden[33-35].
Die quantenchemischen Rechnungen aus dieser Arbeit umfassen Kalibrierungsrechnungen an Chlorsilanen, um die Leistungsfähigkeit der quantenchemischen Methoden zu beurteilen.
Hierbei wurden berechnete Strukturen mit den experimentellen verglichen. Zusätzlich wurden Standardbildungsenthalpien berechnet, um diese auch mit den experimentellen Daten zu vergleichen. Nach Prüfung der Validität der Referenzmethoden wurde die Tragfähigkeit der rechengünstigeren Methoden der Dichtefunktionaltheorie evaluiert.
In Vereinbarung von Rechenaufwand und Genauigkeit einer Rechenmethode wurden thermochemische Stabilitäten, Reaktionsenergien zur Bildung von Chlorsilanen aus Schema 1 berechnet. Die Betrachtung der Reaktionsmechanismen erfolgte sowohl in der Gasphase als auch in Lösung. Dabei wurden die Bildung von cyclo-Chlorsilanen, kettenförmigen und verzweigten Chlorsilanen betrachtet. Unterstützend konnten alle Intermediate und Produkte unter Verwendung der ausgewählten quantenchemischen Methode mit 29Si-NMR-Rechnungen begleitet werden. Hierbei wurden auch Vergleichsdaten von nicht literaturbekannten 29Si-NMR Verschiebungen erstellt.
Die moderne Hauptgruppenchemie ermöglicht es Siliciumverbindungen in unterschiedlichen Oxidationsstufen und mit ungewöhnlichen Koordinations- umgebungen zu realisieren: Silane, Silylene, Disilene, Disiline und molekularer Sand (SiO2) können soweit stabilisiert werden, dass eine Charakterisierung gelingt. Ein Verständnis für die Eigenschaften und Reaktivitäten dieser Verbindungen eröffnet Perspektiven zur gezielten Synthese verschiedener Siliciumverbindungen. Industriell sind im wesentlichen zwei Substanzklassen interessant: Perchlorierte Silane, die als Vorstufen für die Abscheidung elementaren Siliciums als Halbleitermaterial Verwendung finden und Organo(Chlor)silane, die wichtige Bausteine für den Aufbau von Silikonen und für Hydrosilylierungsreaktionen darstellen. Im Rahmen dieser Dissertationsschrift wurden mittels quantenchemischer Rechnungen Schlüssel-intermediate für den Aufbau solcher Verbindungen identifiziert und durch Einblicke in den Reaktionsmechanismus das Fundament für ein tiefergehendes Verständnis der dynamischen kovalenten Chemie der Oligosilane gelegt. Dies geschah in enger Zusammenarbeit mit den experimentellen Arbeitsgruppen von Prof. Wagner und Prof. Auner.
Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die Hochtemperatur-Komproportionierungsreaktion von gasförmigem Siliciumtetrachlorid und elementarem Silicium untersucht (Chem. Eur. J. 2017, 23, 12399). In einer Gasphasenreaktion entsteht dabei ein perchloriertes Polysilan (PCS) unbekannter Zusammensetzung. Im Ergebnis konnten wir zeigen, dass PCS eine komplexe Mischung verschiedener molekularer perchlorierter Silane darstellt, von denen lediglich cyc-Si5Cl10 experimentell eindeutig charakterisiert werden kann. Ausgehend von Dichlorsilylen als reaktive Spezies in der Gasphase zeigten DFT-Berechnungen, dass durch Silylendimerisierung, Silyleninsertion und eine Reihe von Isomerisierungsreaktionen der Aufbau cyclischer Perchlorsilane mit unterschiedlichem Silylierungsgrad gegenüber dem entsprechenden Aufbau acyclischer Perchlorsilane aus nicht umgesetzten Siliciumtetrachlorid bevorzugt stattfindet. PCS liefert ein 29Si-NMR- Spektrum mit einer verwirrenden Vielzahl verschiedener Signale, die auch anhand quantenchemisch berechneter 29Si-NMR-chemischer Verschiebungen nicht eindeutig zugeordnet werden konnten. Dennoch war eine Einteilung der berechneten Verschiebungen in Bereiche möglich, in denen Verschiebungen für Siliciumatome cyclischer und acyclischer Perchlorsilane mit einer bestimmten formalen Oxidationsstufe zu erwarten sind.
Weiterhin wurde der Chlorid-induzierte Aufbau perchlorierter Silane aus Si2Cl6 untersucht: Der Bildungsmechanismus für die durch Tillmann röntgen- kristallographisch charakterisierten perchlorierten Silikate und dianionischen (silylsubstituierten) Cyclohexasilane wurde in einer DFT-Studie untersucht und Schlüsselintermediate sowie stabile Zwischenstufen identifiziert (Chem. Eur. J. 2014, 20, 9234). Wir konnten zeigen, dass SiCl3– als reaktives Intermediat für die Si–Si Bindungsknüpfung verantwortlich ist. Die experimentell nachgewiesenen Silikate sind, mit einer Ausnahme für die ein anderes Konformer gefunden wurde, identisch mit den theoretisch vorhergesagten lokalen Minima. Sie entstehen durch eine Reihe von reversiblen Additions- und Isomerisierungsreaktionen. Dabei sind die acyclischen Silikate über Gleichgewichtsreaktionen miteinander verknüpft, wobei die berechneten Aktivierungsbarrieren für die Rückreaktion immer etwas höher sind als die Barrieren für den nächsten Aufbauschritt. Im Rahmen dieser Gleichgewichtsreaktionen entsteht nicht nur SiCl3–, sondern es können auch höhere Silanide eliminiert werden, die ab einer Größe von drei Siliciumatomen zu Cyclohexasilanen dimerisieren. Mit der head- to-tail Dimerisierung des bevorzugt gebildeten Silanids erklärt sich zwanglos das Substitutionsmuster aller röntgenkristallographisch charakterisierten zweifach silylsubstituierten Cyclohexasilane. Weiterhin ist es gelungen, den Reaktions- mechanismus für den Chlorid-induzierten Aufbau des dianionischen inversen Sandwichkomplexes [Si6Cl12*2Cl]2– aus HSiCl3 aufzuklären, in dem ebenfalls SiCl3– das Schlüsselintermediat darstellt. Letzteres entsteht durch die Eliminierung von HCl aus dem Chloridaddukt von HSiCl3. Der Reaktionsmechanismus beinhaltet Chlorid- abstraktionen, Hydridabstraktionen, Deprotonierungen, Silanid-Additionen, sowie Silanid-Eliminierungen, die nahezu gleichberechtigt nebeneinander vorkommen. Alle identifizierten Reaktionsschritte münden immer wieder in die Pfade, die bereits für den Aufbau aus Si2Cl6 gefunden wurden.
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Das Zusammenspiel von experimentellen mit quantenchemischen Methoden ermoeglicht eine detaillierte Untersuchung der ablaufenden Mechanismen einer chemischen Reaktion auf molekularer Ebene. Insbesondere für quantenchemische Rechnungen zu molekularen Uebergangsmetall-Verbindungen haben sich die Methoden der Dichtefunktionaltheorie (DFT) als aeusserst leistungsfaehiges Forschungswerkzeug herausgestellt. Im Rahmen der DFT fehlt es allerdings prinzipiell an der Möglichkeit zur systematischen Verbesserung der erzielten Ergebnisse und DFT-Rechnungen zeigen eine hohe Abhängigkeit von der Natur der untersuchten molekularen Verbindungsklasse. Daher muss vor jeder mechanistischen Untersuchung ein jeweils optimaler DFT-Ansatz durch Vergleich mit hochgenauen Referenzrechnungen oder mit experimentellen Referenzdaten für relevante Vergleichssysteme identifiziert und gegebenenfalls kalibriert werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden quantenchemische Rechnungen zur Reaktivität von Übergangsmetall-Verbindungen anhand von fünf Forschungsprojekten vorgestellt. Im ersten Kapitel werden die Ergebnisse für die Aktivierung kleiner Moleküle (Alkohole, Sauerstoff und Stickstoff) durch bifunktionelle Übergangsmetall-Pincer-Komplexe dargestellt. Das zweite Kapitel befasst sich mit der bioanorganischen Chemie von dinuklearen Kupfer-Sauerstoff-Komplexen. Die Auswahl einer geeigneten DFT-Methodik erfolgte in allen Fällen durch den Vergleich zu experimentellen Referenzdaten.
In Kooperation mit der Arbeitsgruppe Schneider wurden Eisen-Komplexe für die katalytische (De)hydrogenierung von Alkoholen entwickelt, eine wichtige Reaktion zur Funktionalisierung von Alkoholen zu Carbonylverbindungen. Durch DFT-Rechnungen konnte der ablaufende Katalysezyklus der (De)hydrogenierung des Modell-Substrats Methanol aufgeklärt und der geschwindigkeitsbestimmende Schritt identifiziert werden. Ebenfalls in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe Schneider wurde die selektive Reduktion von Sauerstoff zu Wasser, vermittelt durch einen dihydridischen Iridium-Komplex, untersucht. Da durch die beiden Hydrid-Liganden insgesamt vier Elektronen für die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser bereitgestellt werden, sollte prinzipiell ein monomolekularer Reaktionsverlauf möglich sein. Detaillierte DFT-Rechnungen in Kombination mit experimentellen Kinetikmessungen ergeben starke Hinweise auf einen derartigen Reaktionspfad mit geschwindigkeitsbestimmender Sauerstoff-Aktivierung. Zuletzt wird ein weiteres Kooperationsprojekt mit derselben Arbeitsgruppe vorgestellt. Die protoneninduzierte
übergangsmetallvermittelte Spaltung von Stickstoff in zwei Metall-Nitrid-Komplexe stellt ein neuartiges synthetisches Konzept dar. Durch die Protonierung eines dinuklearen Molybdän-Stickstoff-Komplexes erfolgt die Spaltung in die entsprechenden Mo-Nitrid-Komplexe. Der Grund für die ungewöhnliche Änderung der Spin-Multiplizität bei der Protonierung der Molybdän-Komplexe konnte durch detaillierte quantenchemische Analysen identifiziert werden.
Im zweiten Kapitel werden Untersuchungen zur bioanorganischen Chemie von dinuklearen Kupfer-Sauerstoff-Komplexen vorgestellt. In der Natur werden viele (bio)chemisch relevante Prozesse durch übergangsmetallhaltige Enzyme unter moderaten Reaktionsbedingungen vermittelt. Kupferhaltige Enzyme sind unter Anderem für die hochselektive Oxidation organischer Substrate zuständig. Der Ansatz der Bioanorganik befasst sich mit der Übertragung der enzymatischen Struktur und/oder Funktion auf synthetische Modell-Verbindungen. Da die akkurate Beschreibung der Energien von dinuklearen Kupfer-Sauerstoff-Komplexen höchste Anforderungen an die angewandten quantenchemischen Methoden stellt, wurde eine geeignete DFT-Methode in aufwändigen Voruntersuchungen durch den Vergleich mit experimentellen Ergebnissen identifiziert. Mit Hilfe des so kalibrierten BLYP-D3-Ansatzes wurde in Kooperation mit der Arbeitsgruppe Meyer ein neuartiges Konzept für die baseninduzierte Isomerisierung des reaktiven Kerns etabliert. In einer weiteren Arbeit wurde die regio- und stereoselektive Hydroxylierung von nicht-aktivierten aliphatischen C-H-Bindungen in Steroid-Substraten mit Hilfe von mechanistischen DFT-Rechnungen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die stereochemische Anordnung des Liganden um den reaktiven Kupfer-Sauerstoff-Kern die Selektivität der Hydroxylierung bestimmt.