Professur Koordinationschemie

Forschungsschwerpunkte

  • Synthese, strukturelle Charakterisierung und Funktionalisierung nanoskaliger Metalloxidocluster - Von der Aggregation über Nukleation zu Vorstufen für Metalloxide und Nanopartikel

  • Anorganische und Metallorganische Molekülverbindungen mit Elementen der 14. und 15. Gruppe – Darstellung, Struktur und Vorstufen für Materialien u.a. für die Energiespeicherung und -umwandlung sowie für die Photokatalyse

  • Organisch-Anorganische Hybridmaterialien

  • Supra­molekulare Koordinationschemie

  • Photokatalyse


Im Fokus unserer aktuellen Arbeiten stehen anorganische und metallorganische Molekülverbindungen, nanoskalige Metalloxidocluster und Metalloxidnanopartikel, organisch-anorganische Hybrid­materialien und supramolekulare Koordinations­verbindungen. Die synthetisch-orientierte Grundlagenforschung in der Molekülchemie wird durch materialwissenschaftliche Aspekte wie heterogene Photokatalyse, Porösität von Metalloxiden, Energiespeicherung und -umwandlung sowie Eigenschaftsuntersuchungen an Hybridmaterialien ergänzt.

Die Chemie der Hauptgruppenelemente mit dem Schwerpunkt im Bereich der 14. und 15. Gruppe steht dabei im Zentrum. Hervorzuheben sind unsere Arbeiten zu bismuthaltigen Verbindungen, da diese eine geringe Toxizität und gute Umweltverträglichkeit aufweisen und vermehrt Anwendung als Katalysatoren, nicht-toxische Pigmente, Medikamente mit antimikrobieller Wirkung oder als Kontrastmittel z.B. in Zahn- und Knochenersatzstoffen oder in der Computertomographie  finden. Unsere Arbeiten zur Katalyse mit Verbindungen des „umweltfreundlichen Schwermetalls“ Bismut und zur Selbstorganisation von nanoskaligen Bismutoxidoclustern sind Gegenstand aktueller Projekte. Weitere Projekte sind im Bereich der Energiespeicherung und -umwandlung auf der Basis zinn- und siliciumhaltiger Prekursoren und Nanopartikeln angesiedelt.

 

Metalloxidocluster und Nanopartikel (u.a. Teilnahme am Schwerpunktprogramm SPP 1415 der DFG)

Metalloxide gehören zu den wichtigsten anorganischen Materialien und in den letzten Jahren wurde über faszinierende Fortschritte bei der Strukturaufklärung zahlreicher homo- und heterometallischer Oxide berichtet. Vor allem die Miniaturisierung von elektronischen Bauelementen hat zu einer stürmischen Entwicklung von Synthesemethoden für nanoskopische Metalloxide geführt. Um effizientere Synthesemethoden gezielt entwickeln zu können, ist jedoch ein besseres Verständnis des Nukleationsprozesses von Metalloxidpartikeln vor allem im Anfangsstadium des Partikelwachstums erforderlich. Wir beschäftigen uns u.a. mit der Synthese und den Strukturprinzipien polynuklearer Metalloxocluster sowie mit deren chemischer Modifizierung.[1, 2]

Polyniklearer Metalloxocluster
Abb. 1. Polynuklearer Metalloxocluster,[2]
[Bi50Na2O64(OH)2(OSiMe3)22]

Koordinationspolymere und Metal-Organic Frameworks

Verbindungen des dreiwertigen Bismuts zeigen häufig eine ungewöhnliche Koordinationschemie, deren Ursachen im sterischen und elektronischen Einfluss des freien Elektronenpaars, in den hohen Koordinationszahlen, in der flexiblen Koordinationsgeometrie und in der Ausbildung schwacher Wechselwirkungen mit p-Systemen zu suchen sind.[3-5]

Koordinationspolymer
Abb. 2. Koordinationspolymer,
[BiCl3{4,4'-(iPrO)2(O)PC6H4C6H4P(O)(OiPr)2}]n

Neben molekularen Komplexverbindungen wurden auch ein- und zweidimensionale Koordinationspolymere mit Phosphonsäureestern strukturell charakterisiert, wohingegen die Darstellung dreidimensionaler Netzwerke bislang nicht gelang. Da die Komplexverbindungen bei der Thermolyse unter Abspaltung von Alkylhalogeniden zu Metallphosphonaten reagieren, ist diese Synthesestrategie für den Aufbau organisch-anorganischer Hybridmaterialien geeignet.[4]

Phosphonsäuren, Metallphosphonate und Hybridmaterialien

Unser Interesse gilt der Darstellung und Charakterisierung neuer funktioneller Phosphon- und Phosphinsäuren [6, 7] und deren Einsatz als Bausteine für neue organisch-anorganische Hybridmaterialien und molekulare Metallphos-phonatcluster.[8] Im Allgemeinen zeichnen sich Metallphosphonate durch eine gute Temperatur-beständigkeit und chemische Stabilität aus und bieten Anwendungsmöglichkeiten als Katalysatoren, Ionenaustauscher und Gasspeicher.

Bismutphosphonatoxocluster
Abb. 3. Bismutphosphonatoxocluster,[8]
[(tBuPO3)10(tBuPO3H)2Bi14O10]*3C6H6*4H2O

Literatur:

  1. D. Mansfeld, M. Mehring, M. Schürmann, Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 245–249. From a Monomeric Bismuth Silanolate to a Molecular Bismuth Oxo Cluster: [Bi22O26(OSiMe2tBu)14]
  2. M. Mehring, D. Mansfeld, S. Paalasmaa, M. Schürmann, Chem. Eur. J. 2006, 12, 1767–1781. Polynuclear Bismuth-Oxo Clusters: Insight into the formation process of a metal oxide
  3. D. Mansfeld, M. Mehring, M. Schürmann, Z. Anorg. Allg. Chem. 2004, 630, 1795–1797. [Bi(OSitBuPh3)3]: A Metal Silanolate with a Weak Bismuth - p Arene Interaction
  4. D. Mansfeld, M. Mehring, M. Schürmann, Inorg. Chim. Acta 2003, 348, 82–90. Synthesis, structural characterisation, thermal behaviour and electrospray ionisation mass spectrometric studies of bismuth(III) halide complexes with (iPrO)2(O)PCH2P(O)(OiPr)2
  5. M. Mehring, D. Mansfeld, M. Schürmann, Z. Anorg. Allg. Chem. 2004, 630, 452–461. Stereochemical Influence of the Electron Lone Pair in [Bi(NO3)3{(iPrO)2(O)PCH2-P(O)(OiPr)2}]2 – Comparison of Bismuth, Lanthanum and Praseodymium Nitrate Complexes
  6. M. Mehring, Eur. J. Inorg. Chem. 2004, 3240–3246. Two- and Three-dimensional Hydrogen Bonded Networks Built from 1,3,5-[P(O)(OH)2]3C6H3 and 4-Dimethylaminopyridine
  7. M. Mehring, M. Schürmann, R. Ludwig, Chem. Eur. J. 2003, 9, 837–849. tert–Butylphosphonic Acid: From the Bulk to the Gas Phase
  8. M. Mehring, M. Schürmann, Chem. Commun. 2001, 2354–2355. The first bismuth phosphonate cluster – X-ray single crystal structure of [(tBuPO3)10(tBuPO3H)2Bi14O10]*3C6H6*4H2O