Organisierte Metall-Alkoxid Precursoren

Zur Synthese von Mischoxiden über den Sol-Gel-Prozess werden üblicherweise (Halb-)Metall-Alkoxide-Gemische eingesetzt. Dies schließt auch organisch-modifizierte Precursoren zur Herstellung anorganisch-organischer Hybridmaterialien ein. Im Falle von Alkoxysilanen sind die organischen Gruppen direkt an die Siliciumatome gebunden, während zwei- oder dreizähnige Liganden notwendig sind um organische Gruppen mit den Metallalkoxid-Gruppen zu verknüpfen. Im geplanten Projekt soll ein erster Schritt in Richtung einer neuen Generation von anorganisch-organischen Sol- Gel Hybridmaterialien mit neuen und interessanten Eigenschaften unternommen werden, indem neue vororganisierte Sol-Gel-Precursoren mit zwei oder mehr Metallalkoxid-Resten verwendet werden. Dazu sollen die Metallalkoxid-Gruppen durch hydrolysestabile organische Linker miteinander verknüpft werden. Dadurch werden molekulare Baugruppen mit unterschiedlichen strukturellen und chemischen Charakteristika in spezifischer Weise angeordnet. Die vororganisierten Strukturen sollen während des Sol-Gel-Prozesses erhalten bleiben. Der einfachste Fall sind Precursoren, in denen zwei gleiche Metall-Alkoxid-Gruppen durch einen organischen Linker verbunden sind. Durch den Sol-Gel-Prozess werden Netzwerkstrukturen gebildet, in denen die organischen Gruppen Teil des Netzwerks sind. Solche Netzwerkstrukturen sind ausgehend von Alkoxysilanen bekannt, entsprechende Metall-Alkoxide konnten bisher nicht synthetisiert werden. Eine noch größere Herausforderung ist die Synthese bimetallischer Vorstufen in denen zwei unterschiedliche Metall-Alkoxid-Gruppen miteinander verbunden sind. Einsatz solcher Precursoren im Sol-Gel-Prozess würde die Herstellung bimetallischer Gele erlauben in denen zwei Metalle in einer gezielten gegenseitigen Anordnung positioniert sind. Schließlich sollen neue Netzwerk-Strukturen durch Verwendung Ketten- oder Schicht-artiger Module im Sol-Gel-Prozess erzeugt werden. Ein- oder zwei-dimensionale Vororganisation der Metallalkoxid-Gruppen soll wiederum durch geeignete bi- oder trifunktionelle organische Liganden erreicht werden.

Anorganisch-organische Hybridmaterialien haben in den vergangenen 15-20 Jahren große Bedeutung in den Materialwissenschaften erlangt. Dabei werden molekulare oder nanoskalige anorganische und organische Baugruppen miteinander kombiniert und somit neue Materialeigenschaften erzielt. Unterschiedliche Arten von anorganisch-organischen Hybridmaterialien wurden bereits durch diverse Methoden hergestellt. Obwohl die Prinzipien nach denen sich die einzelnen Baugruppen gegenseitig anordnen zunehmend verstanden werden, ist deren gezielte Anordnung nach einem vorgegebenen Bauplan jedoch noch eine Zukunftsvision. Im gegenständlichen Projekt wurde ein erster Schritt in Richtung einer neuen Generation von anorganisch-organischen Sol-Gel Hybridmaterialien getan, indem neue vororganisierte SolGel-Vorstufen mit zwei oder mehr Metallalkoxid-Resten der gleichen oder unterschiedlichen Art verwendet werden. Dazu wurden molekulare Baugruppen mit unterschiedlichen strukturellen und chemischen Charakteristika durch organische Brücken miteinander verknüpft und dadurch in spezifischer Weise angeordnet. Die vororganisierten Strukturen bleiben während des Sol-Gel-Prozesses erhalten. Der einfachste Fall sind Vorstufen, in denen zwei gleiche Metall-Alkoxid-Gruppen durch einen organischen Linker verbunden sind. Es war beabsichtigt durch den Sol-Gel-Prozess Netzwerkstrukturen auszubilden, in denen die organischen Gruppen Teil des Netzwerks sind. Es wurden aber stattdessen überraschenderweise in den meisten Fällen ring- oder käfigartige Oligomere gefunden. Eine noch größere Herausforderung war die Synthese bimetallischer Vorstufen in denen zwei unterschiedliche Metall-Alkoxid-Gruppen miteinander verbunden sind. Einsatz solcher Vorstufen im Sol-Gel-Prozess erlaubte die Herstellung bimetallischer Gele in denen zwei Metalle in einer gezielten gegenseitigen Anordnung positioniert sind. Es konnte gezeigt werden, dass dieses Konzept zu einer außergewöhnlich homogenen Verteilung der Metalle in den daraus hergestellten bimetallischen Oxiden führt, die mit kaum einer anderen Variante des Sol-Gel-Prozesses erzielbar ist. Schließlich wurden neue Netzwerk-Strukturen durch Verwendung ketten- oder schichtartiger Cyanometallat-Module im Sol-Gel-Prozess erzeugt. Die so erzeugten neuartigen Materialien kombinieren die interessanten magnetischen Eigenschaften von Cyanometallaten mit denen von Sol-Gel-Materialien.