Neue Design- und Synthesestrategien für covalent organic frameworks (COFs) und ähnliche Materialien

• Antragsteller: Dr. Alexander Schoedel
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 265423569

Covalent organic frameworks (COFs) repräsentieren eine schnell wachsende Klasse poröser organischer Materialien und begeistern Forscher aufgrund ihrer enormen Oberfläche und sehr niedrigen Dichte, welche die Grundlage fuer viele moegliche Anwendungen schaffen. Sie sind aufgebaut aus molekularen Baueinheiten (molecular building blocks, MBBs), die durch kovalente Bindungen zu ausgedehnten Netzwerken verbunden werden. Nach Yaghi's grundlegenden Beiträgen zu 2 dimensionalen Netzwerken in 2005, wurden COFs sehr schnell populär, da sie im Gegensatz zu bekannten organischen Polymeren, besonders wünschenswerte Eigenschaften, wie z.B. Porosität, Kristallinität, niedrige Dichte und hohe Oberflächen aufweisen. Am wichtigsten ist jedoch, dass sie einem Design-Prinzip unter Zuhilfenahme von einfachen, hochsymmetrischen Baueinheiten zugrunde liegen. Dieses Prinzip wurde in den vergangenen 20 Jahren bereits im Bereich von Metal-organischen Gerüsten (metal-organic frameworks, MOFs) äusserst erfolgreich tausendfach angewendet. Im Gegensatz zu MOFs sind COFs ausschliesslich durch kovalente Bindungen aufgebaut und verfügen daher über erhöhte thermische und chemische Stabilität. Jedoch limitiert die Stärke dieser Bindung die Synthese solcher Materialen, da normalerweise reversible, organische Reaktionen benötigt werden, um eine weitreichende Ordnung und damit Kristallinität zu erzeugen. Einfach ausgedrückt, sehr robuste Materialien werden normalerweise durch C-C-Kupplungsreaktionen erhalten (z.B. poröse aromatische Gerüste, porous aromatic frameworks, PAFs), welche geringe oder keine Kristallinität aufweisen. Andererseits wurde kürzlich die Synthese von großen einkristallien COFs berichtet, die auf schwachen kovalenten Bindungen basieren und damit die Stabilität dieser nicht-porösen Materialien stark reduzieren. Wir beabsichtigen in diesem Projekt das Design und die Synthese von zwei neuen Klassen von COFs, basierend auf bisher unerforschten Bindungstypen im Zusammenhang mit Gerüststrukturen. Das Problem der gegenläufigen Parameter von Stabilität und Kristallinität wird durch die Entwicklung zweier neuer Synthesestrategien gezielt bearbeitet, um Kontrolle über die COF Bildung und die finale Topologie der Struktur zu erhalten. In diesem Zusammenhang erscheinen etablierte Strategien der supramolekularen Chemie und Koordinationschemie besonders geeignet. Das umfasst auch eine kürzlich entwickelte, schrittweise Aufbaustrategie, sowie einen Weg über Wasserstoffbrückenbindungs-assistierte Netzwerke. Wir erwarten daher die Entwicklung neuer Klassen von Materialien.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Omar M. Yaghi