Synthese, Charakterisierung und quantenchemische Studien zu Zintl-Anionen und intermetalloiden Clustern

Ausgehend von der Diplomarbeit und den Vorarbeiten von F. Lips, die mit binären Anionen (Tt2Pn2)2− der Gruppe 14 (Tt = Sn) und Gruppe 15 (Pn = Sb, Bi) arbeitete, konnte in dieser Doktorarbeit ein ergänzender Beitrag zu den intermetalloiden Clustern der Kombination Lanthanoid-Zinn/Blei-Bismut gele...

Ausführliche Beschreibung

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Bibliographische Detailangaben
1. Verfasser: Weinert, Bastian
Beteiligte: Dehnen, Stefanie (Prof. Dr.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Deutsch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2014
Chemie
Schlagworte:
Online Zugang:PDF-Volltext
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Beschreibung
Zusammenfassung:Ausgehend von der Diplomarbeit und den Vorarbeiten von F. Lips, die mit binären Anionen (Tt2Pn2)2− der Gruppe 14 (Tt = Sn) und Gruppe 15 (Pn = Sb, Bi) arbeitete, konnte in dieser Doktorarbeit ein ergänzender Beitrag zu den intermetalloiden Clustern der Kombination Lanthanoid-Zinn/Blei-Bismut geleistet und erstmalig die Reaktivität von heteroatomaren Gruppe-13-Bismut-Zintl-Anionen – (TrBi3)2− – untersucht werden. In einer Studie mit unterschiedlichen Elementkombinationen Lanthanoid-Blei- Bismut (Lanthanoid: La, Ce, Nd, Gd, Sm, Tb) konnte untersucht werden, inwieweit die Größe des interstitiellen Lanthanoidions einen Einfluss auf die Stabilität unterschiedlicher Enneaedertypen der umgebenden Hauptgruppenmetall-Hülle ausübt. Hierbei wurde gezeigt, dass die kleineren Lanthanoidionen ein 13-Atom- Enneaeder gegenüber einem 14-Atom-Enneaeder als äußere Hülle vorziehen. Die weitergehenden Arbeiten zu den endohedralen Lanthanoid-Zinn-Bismut-Clustern (Lanthanoid: Nd, Sm) führten zu den vergleichbaren Verbindungen den Samarium- (Anion der Verbindung 2) und Neodym-Analoga (Anion der Verbindung 3) von bereits bekannten Anionen mit 13- und 14-Atom-Enneaeder-Topologien. Aufgrund der schlechten Qualität der Datensätze der Einkristallstrukturanalyse konnte für die Verbindungen 2-3 lediglich ein Strukturmodell generiert werden. Hinter der isoelektronischen Substitution der Edukt-Zintl-Anionen (Tt2Bi2)2− stand die Idee, eine Selektion der beiden zumeist kokristallisierenden, ternären En- 129 4 Zusammenfassung und Ausblick neaeder zu bewirken. Die Verwendung des binären Anions (InBi3)2− in Reaktionen mit Lanthanoid-Komplexen des Typs [Ln(CpMe4)3] (Ln = La, Ce, Nd), die mit (Tt2Bi2)2− zuvor zur Bildung von von Verbindungen der intermetalloiden Sn/Pb- Bi-Cluster genutzt worden waren, führte zu einer Vielzahl von Verbindungen mit verbrückten 13-Atom-Clustern – {[Ln@In2Bi11](μ–Bi)2[Ln@In2Bi11]}6− (Ln = La, Ce, Nd, Anionen der Verbindungen 4-6) – und einem nicht-verbrückten Anion – [Ce@In2Bi11]4− (Anion der Verbindung 7). Die Analyse der in den Verbindungen 4-6 enthaltenen Anionen offenbarte weitere Unterschiede in den Eigenschaften und der Reaktivität von (TrBi3)2−-Anionen gegenüber ihren isoelektronischen (Tt2Bi2)2−-Analoga. Die im Vergleich zu den Tetrelatomen höhere Basizität der Indiumatome wird in den meisten Fällen durch eine Verbrückung eines formal positiv geladenen „Bi+“-Atoms kompensiert, wenngleich in einem Fall ein isolierter Cluster erhalten wurde. Quantenchemische Studien erlaubten einen Einblick in die Stabilität der intermetalloiden Cluster und konnten zum Vergleich der verwandten Cluster genutzt werden. Wie aufgrund der isoelektronischen Substitution erwartet, wurde das 14-Atom-Enneaeder in keinem Fall erzeugt. Eine weitere Erhöhung der Basizität am Trielatom, durch Tausch der Indium- gegen Galliumatome, erlaubte die Darstellung von Verbindungen der ersten protonierten ternären intermetalloiden Clusteranionen – [Ln@Ga2HBi11]3− und [Ln@- Ga3H3Bi10]3− (Ln = La, Sm; Anionen der Verbindungen 8 und 10). Auch hier wurde nur die 13-Atom-Topologie erhalten. Die erstmalige Protonierung half, die Bildung des 13-Atom-Enneaeders besser zu verstehen. Durch die genaue Analyse der Nebenprodukte mit unterschiedlichen spektroskopischen und spektrometrischen Methoden sowie quantenchemischen Analysen konnte nicht nur die Herkunft der Protonen, sondern auch der Verbleib der Elektronen und des Komplexliganden CpMe4 geklärt werden. Dabei erwiesen sich die Clusteranionen als C–H- und/oder C–C-bindungsaktivierend. Diese Beobachtung sollte in Zukunft dazu führen, gezielt die Reaktivität intermetalloider Clusteranionen auf katalytische Aktivität hin zu untersuchen. In einer Reaktion, die zur Darstellung einer Verbindung mit intermetalloiden Lanthan-Gallium-Bismut-Clustern führen sollte, wurde eine Verbindung mit einem neuen großen binären Gallium-Bismut-Anion erhalten, dessen Topologie bisher noch nicht bekannt war – (Ga2Bi16)4− (Anion der Verbindung 11). Von dieser Beobachtung lässt sich ableiten, dass sich unter den gegebenen Bedingungen auch größere binäre Anionen bilden können. Dies könnte weiterverfolgt ermöglichen, kleine Anionen-Bausteine unter geeigneten Bedingungen auch als Edukte für grö- ßere Stränge, Schichten oder Netzwerke einzusetzen. Mit dem Versuch, die Reaktionsparameter, speziell das Lösungsmittel, zu ändern, gelang die Darstellung einer Verbindung mit dem ersten polyzyklischen Bismutanion, dem schwersten Homologen der Pn3− 11 -„Ufosan“-Reihe – Bi3− 11 (Anion der Verbindung 12). Die Existenz dieses Anions lässt vermuten, dass noch weitere Verbindungen zugänglich sein sollten, die polyzyklische Bismut-Polyanionen enthalten. Im Zuge dessen kam die Idee auf, P4-Aktivierungsreaktionen auf isoelektronische, heteroatomare Zintl-Anionen anzuwenden. Erste Ergebnisse mit NHCs zeigen, dass die Aktivierungen vielversprechend sein können. So wurde die Bildung bisher unbekannter anionischer Ga-NHC-Addukte beobachtet, womit auch der Verbleib der Galliumatome in der Reaktion geklärt werden konnte. Die Reaktion führte wiederum zur Kristallisation der Verbindung 12. Abbildung 4.1 fasst den Großteil der Ergebnisse noch einmal grafisch zusammen.
DOI:https://doi.org/10.17192/z2014.0480