Bottom-up-Synthese neuartiger 3D-Kohlenstoff-Allotrope abgeleitet von 6.8² P und 6.8² D Polybenzol

• Antragstellerin: Dr. Carolin Dusold
• Fachliche Zuordnung: Organische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 468624869

Ziel des Forschungsprojekts ist es, neue Synthesemethoden zu molekularen Bausteinen zu entwickeln, welche zu den dreidimensionalen Strukturen 6.8² D und 6.8² P Polybenzol als neues Mitglied der synthetischen Kohlenstoffallotrope zusammengesetzt werden können. Synthetische Kohlenstoffallotrope, zu denen unter anderem Fullerene, Kohlenstoff-Nanoröhren und Graphen zählen, bieten gegenwärtig enormes Potenzial für Hochleistungsanwendungen, weshalb die Suche nach neuen funktionellen Nanomaterialien auf Kohlenstoffbasis ein hochaktuelles Thema ist. Eines der vielversprechendsten Formen ist das Polybenzol (pbz) -Netzwerk. Die zwei möglichen Zusammensetzungen, 6.8² D und 6.8² P Polybenzol, sind aus sp² hybridisierten Kohlenstoffatomen aufgebaute 3D Strukturen, welche nur eine einzige Art von Kohlenstoffatom enthalten, die sich zu sechs- und achtgliedrigen Ringen im Verhältnis 2:3 zusammensetzen. Aufgrund der unterschiedlichen Konnektivität der beiden Kohlenstoffgerüsten unterscheiden sich jeweils Struktur, Stabilität und elektronische Eigenschaften enorm. Während das metallische 6.8² P Polybenzol eine mit C60-Fulleren vergleichbare Stabilität aufweist und Hohlräume bietet, die groß genug für die Interkalation größerer Ionen (K+, Sr2+, Br–) oder sogar kleiner Moleküle (CO, N2, O2) sind, ist der indirekte Halbleiter 6.8² D Polybenzol erheblich stabiler als das 6.8² P Netzwerk und weist eine intrinsische Porosität auf, welche für die Einlagerung kleiner Ionen (Li+, Na+, Mg2+) geeignet ist. Ich möchte eine skalierbare Synthese und eine detaillierte Charakterisierung des kleinen molekularen Bausteins Cycloocta-1,3,5,7-teraon entwickeln, welcher aufgrund der funktionellen Ketogruppen für eine kontrollierte Vernetzungsreaktion zu dem gewünschten 3D-Kohlenstoffgerüsten verwendet werden kann. Die vorgeschlagene retikuläre Selbstassemblierung dieser wichtigen Vorstufe basiert auf iterativen Lewis- oder Brønsted-Säure-katalysierten Enolisierungen gefolgt von Selbstkondensationen. Ich werde mich hierbei auf die Reversibilität des Aldolkondensations-Mechanismus in Gegenwart von Wasser stützen, um eine dynamische Fehlerkorrektur zu ermöglichen, welche für die Bildung einer hochkristallinen Probe unerlässlich ist. Um auch die Entwicklung der thermodynamisch weniger stabilen 6.8² P Polybenzol Struktur zu begünstigen, beabsichtige ich, Templat-gesteuerte Kristallisationsmethoden zu nutzen, die auf nicht-kovalenten Kation-π-Wechselwirkungen beruhen. Eine vollständige strukturelle Charakterisierung soll unter Verwendung von Synchrotron-Röntgenbeugung, Transmissionselektronenmikroskopie und Festkörper-13C-NMR-Techniken durchgeführt werden.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Felix R. Fischer