Polymeric Frameworks as Organic Semiconductors with Controlled Electronic Properties

The rational assembly of monomers, in principle, enables the design of a specific periodicity of polymeric frameworks, leading to a tailored set of electronic structure properties in these solid-state materials. The further development of these emerging systems requires a combination of both experimental and theoretical studies. Here, we investigated the electronic structures of two-dimensional polymeric frameworks based on triazine and benzene rings, by means of electrochemical techniques. The experimental density of states was obtained from quasi-open-circuit voltage measurements through galvanostatic intermittent titration technique, which we show to be in excellent agreement with first principles calculations performed for two and three-dimensional structures of these polymeric frameworks. These findings suggest that the electronic properties do not only depend on the number of stacked layers but also on the ratio of the different aromatic rings

Synthese metallorganischer Gerüstverbindungen und poröser Polymere für den Einsatz in der Katalyse, Sensorik und Stofftrennung

Poröse Materialien zeichnen sich durch hohe spezifische Oberflächen bzw. hohe spezifische Porenvolumina aus. Dies macht sie zu geeigneten Kandidaten für die Gasspeicherung, Stofftrennung und die heterogene Katalyse, die Hauptanwendungsgebiete poröser Materialien. Um poröse Materialien hinsichtlich der eben genannten Anwendungsfelder zu optimieren ist es von entscheidender Bedeutung, sie hinsichtlich ihrer jeweiligen Anwendung maßzuschneidern. Eine Klasse hochporöser Materialien, bei der das Maßschneidern der Poren möglich ist, ist die der metallorganischen Gerüstverbindungen [engl. Metal-Organic Frameworks (MOFs)]. MOFs zeichnen sich durch einen modularen Aufbau aus, der ein systematisches Design der Poren erlaubt. Auch poröse Polymere können durch Funktionalisierung der entsprechenden Monomere hinsichtlich verschiedener Anwendungsgebiete gezielt synthetisiert werden. Ein Ziel dieser Arbeit war die Integration des Metalls Rhodium als knotenbildendes Element in ein MOF. Dazu wurde Rhodium(II)-acetat, welches bereits das Schaufelradmotiv enthält, mit den trifunktionellen Carbonsäuren Trimesinsäure und 4,4´,4´´ Benzen-1,3,5-triyl-tribenzoesäure zu den MOFs DUT 82 und DUT 83 umgesetzt. Das Schaufelradmotiv als sekundäre Baueinheit in DUT-82 konnte durch röntgenabsorptionspektroskopische Untersuchungen nachgewiesen werden. Nach überkritischem Trocknen gefolgt von thermischer Aktivierung zeigten DUT-82 und DUT-83 eine permanente Porosität mit spezifischen BET-Oberflächen von bis zu 1150 m2g-1. Weiterhin konnte für DUT-82 eine sehr hohe Affinität zu Kohlenmonoxid, die selten für MOFs beobachtet wird, nachgewiesen werden. Berechnungen der Adsorptionsenthalpie ergaben bei niedrigen Beladungen einen Wert von ungefähr 50 kJmol-1, was für eine Chemisorption von Kohlenmonoxid an DUT-82 bei niedrigen Drücken spricht. Weiterhin zeigten katalytische Untersuchungen, dass sich DUT-82 als heterogener Hydrierkatalysator eignet. In einer Modellreaktion konnte Styrol erfolgreich zu Ethylbenzen umgesetzt werden. In einem weiteren Teil der Arbeit sollte ein MOF synthetisiert werden, das Stabilität und eine hohe Kapazität für Schwefelwasserstoff miteinander vereint. Eine Klasse bereits bekannter MOFs mit hoher Stabilität basiert auf dem [Zr6O4(OH)4]12+-Cluster. Durch Kombination des [Zr6O4(OH)4]12+-Clusters mit Bipyridindicarboxylat konnte das MOF UiO-67(bipy) hergestellt werden, welches isostrukturell zu UiO 67 ist. Untersuchungen an UiO 67(bipy) zeigten, dass das unbeladene Netzwerk keinen Schwefelwasserstoff adsorbiert. Die Bipyridinfunktionalität wurde anschließend für die permanente Integration weiterer Metallzentren (Metall = Cu, Ni, Co) genutzt. Dazu wurde UiO-67(bipy) zu wässrigen oder ethanolischen Metallsalzlösungen gegeben und es kam zur Adsorption der Metallsalze aus der Flüssigphase. Durch die postsynthetische Integration der Metallsalze konnte die Adsorptionskapazität der resultierenden Metallsalz@UiO-67(bipy)-Materialien für Schwefelwasserstoff bis auf 8 Gew.% gesteigert werden. Neben Adsorption und Katalyse ist die Sensorik ein weiteres Anwendungsfeld von MOFs. Eine organische Einheit, die sich als sensitive Komponente für eine Integration in ein MOF anbietet, ist Dihydro-1,2,4,5-tetrazin, das zu 1,2,4,5-Tetrazin oxidiert werden kann. Das bemerkenswerte Merkmal dieser Reaktion ist der radikale Farbwechsel von Gelb nach Pink. Nach erfolgreicher Synthese der Dihydro-1,2,4,5-tetrazindicarbonsäure sollte sie durch Kombination mit dem [Zr6O4(OH)4]12+-Cluster zu einem UiO-66 analogen Netzwerk in ein stabiles Netzwerk integriert werden. Da die direkte Syntheseroute eines UiO-66 analogen Netzwerks nicht zum Erfolg führte, wurde die mildere Variante des Linkeraustauschs gewählt. Über diese Route konnte das Dihydro-1,2,4,5-tetrazindicarboxylat erfolgreich partiell in das UiO-66 Netzwerk integriert werden. Anschließende Untersuchungen zeigten, dass die in das Netzwerk eingebaute Dihydro-1,2,4,5-tetrazin-Einheit sowohl in der Flüssig- als auch in der Gasphase erfolgreich oxidiert werden kann, was durch UV/vis-Messungen belegt werden konnte. Eine weitere Klasse poröser Materialien, die hervorragende chemische Stabilität aufweist, ist die der konjugierten Triazin-Netzwerke. Sie entstehen durch Cyclotrimerisierung multifunktioneller Nitrile. Durch geschickte Wahl der Monomere ist eine Funktionalisierung der Triazin-Netzwerke möglich. Um ein chirales Triazin-Netzwerk zu synthetisieren, wurde Spirobiindan erfolgreich mit Nitrilgruppen funktionalisiert. Die Umsetzung des Monomers in einer Zinkchlorid-Schmelze führte zu porösen Polymeren mit spezifischen BET-Oberflächen von bis zu 1180 m2g 1. Dabei konnte die Porengrößenverteilung des Triazin-Netzwerkes durch Variation des Verhältnisses von Zinkchlorid zu Monomer gezielt eingestellt werden. Die Polymersynthese erfolgte mit einer racemischen Mischung des Monomers und führte somit zu einem achiralen Polymer. Erste Untersuchungen zeigten, dass eine Trennung des racemisch vorliegenden Monomers mittels Hochleistungsflüssigchromatographie möglich ist. Die Imidazoliumgruppe ist eine weitere Baueinheit, die in Triazin-Polymere integriert werden sollte, da sie leicht in ein N-Heterocyclisches Carben überführt werden kann. N-Neterocyclische Carbene können direkt als Katalysator bzw. als Ligand für eine Vielzahl von Metallen zur Generierung eines Katalysators genutzt werden. Über mehrstufige Synthesen konnten zwei nitrilfunktionalisierte Imidazoliumsalze hergestellt werden. Die anschließende Cyclotrimerisierung führte zu porösen Polymeren mit spezifischen BET-Oberflächen von bis zu 680 m2g-1. Erste katalytische Untersuchungen zum Einsatz dieser Triazin-Netzwerke in Umpolungsreaktionen von Zimtaldehyd mit 2,2,2 Trifluoracetophenon zeigten jedoch lediglich einen geringen Umsatz zum gewünschten Produkt

Synthese metallorganischer Gerüstverbindungen und poröser Polymere für den Einsatz in der Katalyse, Sensorik und Stofftrennung

Poröse Materialien zeichnen sich durch hohe spezifische Oberflächen bzw. hohe spezifische Porenvolumina aus. Dies macht sie zu geeigneten Kandidaten für die Gasspeicherung, Stofftrennung und die heterogene Katalyse, die Hauptanwendungsgebiete poröser Materialien. Um poröse Materialien hinsichtlich der eben genannten Anwendungsfelder zu optimieren ist es von entscheidender Bedeutung, sie hinsichtlich ihrer jeweiligen Anwendung maßzuschneidern. Eine Klasse hochporöser Materialien, bei der das Maßschneidern der Poren möglich ist, ist die der metallorganischen Gerüstverbindungen [engl. Metal-Organic Frameworks (MOFs)]. MOFs zeichnen sich durch einen modularen Aufbau aus, der ein systematisches Design der Poren erlaubt. Auch poröse Polymere können durch Funktionalisierung der entsprechenden Monomere hinsichtlich verschiedener Anwendungsgebiete gezielt synthetisiert werden. Ein Ziel dieser Arbeit war die Integration des Metalls Rhodium als knotenbildendes Element in ein MOF. Dazu wurde Rhodium(II)-acetat, welches bereits das Schaufelradmotiv enthält, mit den trifunktionellen Carbonsäuren Trimesinsäure und 4,4´,4´´ Benzen-1,3,5-triyl-tribenzoesäure zu den MOFs DUT 82 und DUT 83 umgesetzt. Das Schaufelradmotiv als sekundäre Baueinheit in DUT-82 konnte durch röntgenabsorptionspektroskopische Untersuchungen nachgewiesen werden. Nach überkritischem Trocknen gefolgt von thermischer Aktivierung zeigten DUT-82 und DUT-83 eine permanente Porosität mit spezifischen BET-Oberflächen von bis zu 1150 m2g-1. Weiterhin konnte für DUT-82 eine sehr hohe Affinität zu Kohlenmonoxid, die selten für MOFs beobachtet wird, nachgewiesen werden. Berechnungen der Adsorptionsenthalpie ergaben bei niedrigen Beladungen einen Wert von ungefähr 50 kJmol-1, was für eine Chemisorption von Kohlenmonoxid an DUT-82 bei niedrigen Drücken spricht. Weiterhin zeigten katalytische Untersuchungen, dass sich DUT-82 als heterogener Hydrierkatalysator eignet. In einer Modellreaktion konnte Styrol erfolgreich zu Ethylbenzen umgesetzt werden. In einem weiteren Teil der Arbeit sollte ein MOF synthetisiert werden, das Stabilität und eine hohe Kapazität für Schwefelwasserstoff miteinander vereint. Eine Klasse bereits bekannter MOFs mit hoher Stabilität basiert auf dem [Zr6O4(OH)4]12+-Cluster. Durch Kombination des [Zr6O4(OH)4]12+-Clusters mit Bipyridindicarboxylat konnte das MOF UiO-67(bipy) hergestellt werden, welches isostrukturell zu UiO 67 ist. Untersuchungen an UiO 67(bipy) zeigten, dass das unbeladene Netzwerk keinen Schwefelwasserstoff adsorbiert. Die Bipyridinfunktionalität wurde anschließend für die permanente Integration weiterer Metallzentren (Metall = Cu, Ni, Co) genutzt. Dazu wurde UiO-67(bipy) zu wässrigen oder ethanolischen Metallsalzlösungen gegeben und es kam zur Adsorption der Metallsalze aus der Flüssigphase. Durch die postsynthetische Integration der Metallsalze konnte die Adsorptionskapazität der resultierenden Metallsalz@UiO-67(bipy)-Materialien für Schwefelwasserstoff bis auf 8 Gew.% gesteigert werden. Neben Adsorption und Katalyse ist die Sensorik ein weiteres Anwendungsfeld von MOFs. Eine organische Einheit, die sich als sensitive Komponente für eine Integration in ein MOF anbietet, ist Dihydro-1,2,4,5-tetrazin, das zu 1,2,4,5-Tetrazin oxidiert werden kann. Das bemerkenswerte Merkmal dieser Reaktion ist der radikale Farbwechsel von Gelb nach Pink. Nach erfolgreicher Synthese der Dihydro-1,2,4,5-tetrazindicarbonsäure sollte sie durch Kombination mit dem [Zr6O4(OH)4]12+-Cluster zu einem UiO-66 analogen Netzwerk in ein stabiles Netzwerk integriert werden. Da die direkte Syntheseroute eines UiO-66 analogen Netzwerks nicht zum Erfolg führte, wurde die mildere Variante des Linkeraustauschs gewählt. Über diese Route konnte das Dihydro-1,2,4,5-tetrazindicarboxylat erfolgreich partiell in das UiO-66 Netzwerk integriert werden. Anschließende Untersuchungen zeigten, dass die in das Netzwerk eingebaute Dihydro-1,2,4,5-tetrazin-Einheit sowohl in der Flüssig- als auch in der Gasphase erfolgreich oxidiert werden kann, was durch UV/vis-Messungen belegt werden konnte. Eine weitere Klasse poröser Materialien, die hervorragende chemische Stabilität aufweist, ist die der konjugierten Triazin-Netzwerke. Sie entstehen durch Cyclotrimerisierung multifunktioneller Nitrile. Durch geschickte Wahl der Monomere ist eine Funktionalisierung der Triazin-Netzwerke möglich. Um ein chirales Triazin-Netzwerk zu synthetisieren, wurde Spirobiindan erfolgreich mit Nitrilgruppen funktionalisiert. Die Umsetzung des Monomers in einer Zinkchlorid-Schmelze führte zu porösen Polymeren mit spezifischen BET-Oberflächen von bis zu 1180 m2g 1. Dabei konnte die Porengrößenverteilung des Triazin-Netzwerkes durch Variation des Verhältnisses von Zinkchlorid zu Monomer gezielt eingestellt werden. Die Polymersynthese erfolgte mit einer racemischen Mischung des Monomers und führte somit zu einem achiralen Polymer. Erste Untersuchungen zeigten, dass eine Trennung des racemisch vorliegenden Monomers mittels Hochleistungsflüssigchromatographie möglich ist. Die Imidazoliumgruppe ist eine weitere Baueinheit, die in Triazin-Polymere integriert werden sollte, da sie leicht in ein N-Heterocyclisches Carben überführt werden kann. N-Neterocyclische Carbene können direkt als Katalysator bzw. als Ligand für eine Vielzahl von Metallen zur Generierung eines Katalysators genutzt werden. Über mehrstufige Synthesen konnten zwei nitrilfunktionalisierte Imidazoliumsalze hergestellt werden. Die anschließende Cyclotrimerisierung führte zu porösen Polymeren mit spezifischen BET-Oberflächen von bis zu 680 m2g-1. Erste katalytische Untersuchungen zum Einsatz dieser Triazin-Netzwerke in Umpolungsreaktionen von Zimtaldehyd mit 2,2,2 Trifluoracetophenon zeigten jedoch lediglich einen geringen Umsatz zum gewünschten Produkt

Tetrazine functionalized zirconium MOF as an optical sensor for oxidizing gases

Dihydro-1,2,4,5-tetrazine-3,6-dicarboxylate was introduced into the chemically stable UiO-66 structure by a postsynthetic linker exchange reaction to create an optical sensor material for the detection of oxidative agents such as nitrous gases. The incorporated tetrazine unit can be reversibly oxidized and reduced, which is accompanied by a drastic colour change from yellow to pink and vice versa. The high stability of the framework during redox reaction was proven by powder X-ray diffraction and nitrogen physisorption measurements

A catalytically active porous coordination polymer based on a dinuclear rhodium paddle-wheel unit

Two new coordination polymers, DUT-82 and DUT-83 (DUT – Dresden University of Technology), were synthesized by a solvothermal reaction in methanol of rhodium(II) acetate and the tricarboxylic acid H₃btc (btc – benzene-1,3,5-tricarboxylate) or H₃btb (btb – benzene-1,3,5-tribenzoate), respectively. After drying using supercritical carbon dioxide, aerogels with specific surface areas of up to 1150 m² gˉ¹ and pore volumes of up to 2.26 cm³ gˉ¹ were obtained. Although there is no long range order in the materials, the presence of rhodium paddle-wheel units and thus a local order was proven by X-ray absorption spectroscopy measurements. DUT-82 shows good performance in the adsorption of hydrogen and a high affinity for carbon monoxide, which is rarely observed for metal–organic frameworks. Catalytic investigations demonstrate the activity of DUT-82 in the heterogeneous hydrogenation of styrene as a model system. DUT-82 can be recycled for at least ten cycles underlining the stability during the course of reaction

Modular Construction of a Porous Organometallic Network Based on Rhodium Olefin Complexation

We describe the rational design and synthesis of the first member of a new class of microporous materials. It is built from rhodium and a polyolefinic ligand featuring a rigid tetraphenylsilane backbone via metal olefin complexation, creating a truly organometallic network. The resulting framework, denoted as DUT-37 (Dresden University of Technology no. 37) exhibits considerable porosity and unprecedented stability under ambient conditions. Furthermore, it is catalytically active in transfer hydrogenation

Proline Functionalized UiO-67 and UiO-68 Type Metal–Organic Frameworks Showing Reversed Diastereoselectivity in Aldol Addition Reactions

Functionalization of dicarboxylate linkers with proline was used to generate catalytically active metal–organic frameworks (MOFs) for diastereoselective aldol addition. Due to high robustness and chemical stability, zirconium based MOFs, namely UiO-67 and UiO-68, were chosen as catalyst hosts. During the MOF synthesis, utilizing Boc protected proline functionalized linkers H₂bpdc-NHProBoc and H₂tpdc-NHProBoc, <i>in situ</i> deprotection of the Boc groups without racemization is achieved, enabling direct application of the enantiopure, homochiral MOFs in catalytic reaction, without further postsynthetic treatment. Solvent screening and kinetic studies as well as cycling tests were used to evaluate the conditions for diastereoselective aldol addition using a model reaction of 4-nitrobenzaldehyde and cyclohexanone. High yields (up to 97%) were achieved in reasonable reaction time using ethanol as solvent. In comparison to homocatalytic reactions catalyzed by l-proline and its derivatives, MOFs showed opposite diastereoselectivity attributed to the catalytic sites in confined pore space rendering this class of materials as promising catalysts for fine chemicals production

Modular Construction of a Porous Organometallic Network Based on Rhodium Olefin Complexation

We describe the rational design and synthesis of the first member of a new class of microporous materials. It is built from rhodium and a polyolefinic ligand featuring a rigid tetraphenylsilane backbone via metal olefin complexation, creating a truly organometallic network. The resulting framework, denoted as DUT-37 (Dresden University of Technology no. 37) exhibits considerable porosity and unprecedented stability under ambient conditions. Furthermore, it is catalytically active in transfer hydrogenation

N-heterocyclic carbene containing element organic frameworks as heterogeneous organocatalysts

A bifunctional imidazolium linker was used for the production of highly crosslinked element organic frameworks by Suzuki-coupling with tetrafunctional boronic acids. The resulting porous materials are good heterogeneous organocatalysts in the N-heterocyclic carbene-catalyzed conjugated umpolung of α,β-unsaturated cinnamaldehyde

Selective Adsorption Properties of Cationic Metal–Organic Frameworks Based on Imidazolic Linker

In this work we propose an approach for the controlled synthesis of cationic frameworks by the use of imidazolium salts as linker molecules. The imidazolium salt linker H₂ImidCl was prepared in five steps and converted with zinc and copper nitrate, respectively, to give the two topologically different cationic frameworks [Cu­(Imid)­(H₂O)]⁺ and [Zn₄(Imid)₅]³⁺. The framework charge is compensated by anions located in the pores. [Cu­(Imid)­(H₂O)]⁺ shows a selective adsorption of organic molecules either bearing a carboxylic group or having an ionic nature. Furthermore, adsorbed molecules featuring a carboxylic group are captured inside the pores, whereas ionic substances can be reversibly adsorbed and desorbed, which was followed by UV/vis spectroscopy