Porous functional materials are promising candidates for applications in the areas of heterogeneous catalysis, sensing, gas storage and separation, or membranes. As one class of suchlike materials, organic cage compounds have attracted attention because of their unique properties compared to extended frameworks. The tribenzotriquinacene (TBTQ) scaffold possessing three orthogonal indane moieties provides a suitable building block for the efficient synthesis of organic cage compounds. In this thesis the synthesis of molecular cubes, tetrahedra and bipyramids by crosslinking the catechol units of TBTQ with various diboronic acids is reported. Structure and shape of the molecular objects are thereby determined by the geometry of the diboronic acids. Notably, both narcissistic and social self-sorting phenomena could be observed for ternary mixtures of building blocks. In addition host-guest complexation was observed for the trigonal bipyramid cage. Fullerenes C60 as well as C70 were almost quantitively encapsulated. Further investigations of this behaviour showed a preference for C60 in a competitive situation. / Poröse funktionelle Materialien sind vielversprechende Kandidaten für Anwendungen wie zum Beispiel in der heterogenen Katalyse, in Sensormaterialien, für die Gasspeicherung sowie –separation oder in Membranen. Eine besondere Klasse solcher Materialien stellen die organischen Käfigverbindungen dar, da sie im Vergleich zu netzwerkartigen Strukturen einzigartige Eigenschaften aufweisen. Das Gerüst des Tribenzotriquinacens (TBTQ) besitzt drei zueinander orthogonal stehende Indaneinheiten, sodass es sich optimal als Baustein für die effiziente Synthese organischer Käfigmoleküle eignet. In dieser Arbeit wird die Synthese molekularer Würfel, Tetraeder und Bipyramiden mittels Quervernetzung der Catecholeinheiten der TBTQ-Bausteine mit verschiedenen Diboronsäuren beschrieben. Die Struktur und die Form der molekularen Objekte sind dabei durch die Geometrie der entsprechenden Diboronsäuren vorgegeben. Bemerkenswert ist, dass in ternären Mischungen der Bausteine das Phänomen der Selbssortierung zu beobachten ist. Sowohl narzisstische als auch soziale Selbstsortierung konnte hierbei festgestellt werden. Darüber hinaus wurde für den bipyramidalen Käfig Wirt-Gast Komplexierung beobachtet. Die Fullerene C60 und C70 wurden nahezu quantitativ in das Molekül eingeschlossen. Weitere Untersuchungen zu diesem Verhalten zeigten in einer kompetitiven Mischung aus C60 und C70 eine Präferenz des Käfigmoleküls zu C60.

Within this thesis, synthetic strategies for self-assembled organic cage compounds have been developed that allow for both stimuli-responsive control over assembly/disassembly processes and spatial control over functionalization. To purposefully operate the reversible assembly of organic cages, boron-nitrogen dative bonds have been exploited for the formation of a well-defined, discrete bipyramidal organic assembly in solution. Thermodynamic association equilibria for cage formation have been investigated by Isothermal Titration Calorimetry (ITC). Temperature-dependent NMR studies revealed a reversible cage opening upon heating and quantitative reassembly upon cooling. For the spatial functionalization of organic cages, two divergent molecular building units have been designed and synthesized, namely tribenzotriquinacene derivatives possessing a terminal alkyne moiety at the apical position and a meta-diboronic acid having a pyridyl group at the 2-position. Facile access to a variety of apically functionalized tribenzotriquinacenes has been illustrated by post-synthetic modifications at the terminal alkyne group by Sonogashira cross-coupling and azide-alkyne click reactions. Finally, these apically functionalized tribenzotriquinacene building blocks have been implemented into boronate ester-based organic cage compounds showing modular exohedral functionalities. / Im Rahmen dieser Dissertation wurden Synthesiestrategien für selbstorganisierte organische Käfigstrukturen entwickelt, die eine stimuli-responsive Kontrolle über den Auf- und Abbau sowie eine räumliche Kontrolle über die Funktionalisierung dieser Nanostrukturen erlauben. Um den Assemblierungsprozess organischer Käfige gezielt zu steuern, wurden dative Bor-Stickstoff-Bindungen für die Bildung eines wohldefinierten, diskreten, bipyramidalen organischen Käfigs in Lösung eingesetzt. Die thermodynamischen Assoziationsleichgewichte für die Käfigbildung wurden durch isotherme Titrationskalorimetrie (ITC) tersucht. Temperaturabhängige NMR-Studien zeigten eine reversible Käfigöffnung beim Erwärmen und die quantitative Wiedergewinnung des Käfigs beim Abkühlen. Für die räumliche Funktionalisierung organischer Käfige wurden zwei divergente molekulare Bausteine entworfen und synthetisiert: Zum Einen Tribenzotriquinacen-Derivate die eine terminale Alkinfunktion an der apikalen Position aufweisen und zum Anderen eine meta-Diboronsäure mit einer Pyridylgruppe in 2-Position. Der einfache Zugang zu einer Vielzahl an apikal funktionalisierten Tribenzotriquinacenen wurde durch postsynthetische Modifizierungen der terminalen Alkineinheit durch Sonogashira-Kreuzkupplungen und Azid-Alkin-Klick-Reaktionen veranschaulicht. Schließlich wurden diese apikal funktionalisierten Tribenzotriquinacen-Bausteine in organische Boronatester-Käfige mit modularer exohedraler Funktionalität implementiert.

Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit lag auf der Synthese neuer binärer tetrelreicher Silicide und Germanide der Erdalkali- und Seltenerdmetalle. Die Verbindungen wurden unter Hochdruck-Hochtemperaturbedingungen mit einer Vielstempelpresse bei Drücken bis 15 GPa und Temperaturen bis 1500 K synthetisiert und umfassend charakterisiert. Im Rahmen dieser Arbeit konnten binäre Silicide und Germanide der Erdalkali- und Seltenerdmetalle, basierend auf der Analyse der auftretenden Strukturmotive, insbesondere in der anionischen Teilstruktur, und der Anzahl der homoatomaren Tetrel-Tetrel-Bindungen, klassifiziert werden. Sieben Gruppen können unterschieden werden: Strukturen mit dichtesten Packungen, isolierten Atomen und Tt2-Hanteln (und Vierecken), isolierten Polyanionen, Ketten und Bändern, Schichten und Netzwerken. Die letzte Gruppe kann weiter in die Untergruppen dreidimensionaler Netzwerke ohne unterscheidbare Polyanionen, mit unterscheidbaren Polyanionen und aus unterscheidbaren kondensierten Käfigen in der anionischen Teilstruktur eingeteilt werden. Bei den Verbindungen dieser Arbeit handelt es sich im Falle derer mit einer 1:3 Zusammensetzung um atomare Anordnungen mit kubisch dichtester Packung oder Schichtstrukturen. Die siliciumreicheren Verbindungen sind den Käfigverbindungen zuzuordnen. In den binären Systemen M-Tt (M = Ba, Sm, Lu) konnten die Tritetrele SmGe3, LuGe3 und BaSi3 erhalten werden. SmGe3 besitzt eine neue 2×2×2-Überstruktur des kubisch primitiven Cu3Au-Typs. Temperaturabhängige Messungen der magnetischen Suszeptibilität und des spezifischen elektrischen Widerstands zeigen metallisches Verhalten. LuGe3 ist isotyp zu DyGe3 und besitzt Ketten und Doppelschichten in der anionischen Ge-Teilstruktur. Messungen der magnetischen Suszeptibilität, der spezifischen Wärmekapazität und des spezifischen elektrischen Widerstands zeigen den Übergang in einen supraleitenden Zustand unterhalb einer Temperatur von 3.3(3) K. Um die Ge-Ketten mit im Vergleich zu elementaren Germanium langen Abständen dGe-Ge an Pulver- und Einkristalldaten näher zu charakterisieren, ist LuGe (FeB-Typ) mit dem Strukturmotiv eindimensionaler Germaniumketten als Referenzverbindung synthetisiert worden. Der Abstand in der eindimensionalen Germaniumkette steht in guter Übereinstimmung zu demjenigen in LuGe3 sowie zahlreicher weiterer Silicide und Germanide mit diesem Strukturmotiv. Die Bindungsanalyse der Ge-Ketten hat homoatomare Wechselwirkungen der Germaniumatome sowie heteroatomare Interaktionen unter Beteiligung von mehreren Lutetium- und Germaniumatomen ergeben. Im Falle von LuGe konnten sogar Hinweise auf Metall-Metall-Wechselwirkungen gefunden werden. Wechselwirkungen zwischen fünf Atomen konnten auch zwischen den Ge-Ketten und Lu in LuGe3 und zwischen dem jeweiligen Metallatom und den Tetrelschichten in BaSi3 bzw. -doppelschichten in LuGe3 gefunden werden. BaSi3 zeigt eine einzigartige atomare Anordnung, die als Deformationsvariante des CaGe3-Typs aufgefasst werden kann. Die Temperaturabhängigkeit des spezifischen elektrischen Widerstands und Messungen der magnetischen Suszeptibilität deuten auf metallisches Verhalten hin. In den binären Systemen Mg-Si und Sr-Si sind siliciumreiche Verbindungen mit kondensierten Käfigen in der anionischen Teilstruktur gefunden worden. Die Bestimmung der Kristallstruktur von MgSi5 mittels Elektronendiffraktion hat die Grundlage für die Phasenbestimmung im Prozess der Syntheseoptimierung gebildet, was die Synthese von für Röntgendiffraktionsexperimente geeigneten Einkristallen ermöglicht hat. Die Kristallstruktur von MgSi5 (Raumgruppe Cmme) stellt einen neuen Typ eines Netzwerks vierbindiger Siliciumatome dar, welche Si15-Käfige um die Magnesiumatome bildet. Zwei Arten kleinerer Si8-Käfige bleiben leer. Die atomaren Wechselwirkungen werden durch zwei-Zentren-Bindungen innerhalb des Siliciumnetzwerks charakterisiert. Zusätzlich gibt es Wechselwirkungen unter Beteiligung von mehreren Magnesium- und Siliciumatomen in den großen Käfigen. Die Verbindung ist diamagnetisch. Sr8Si46 ist isotyp zu Na8Si46 (Clathtrat-I). Die Charakterisierung der Struktur ist an Pulver- und Einkristalldaten durchgeführt worden. Die Bindungsanalyse zeigt neben konventionellen kovalenten Bindungen innerhalb des Siliciumnetzwerks zusätzliche Wechselwirkungen zwischen mehreren Strontium- und Siliciumatomen in den Käfigen. Physikalische Messungen belegen den Übergang in den supraleitenden Zustand bei Temperaturen unterhalb von 3.8(3) K. Bei Normaldruck zersetzen sich die Hochdruckphasen, mit Ausnahme von LuGe, exotherm in Randphasen, die im jeweiligen Phasendiagramm stabil sind, und belegen damit ihren metastabilen Charakter. Die systematische Analyse von Zusammensetzungen und Tetrelkonnektivitäten in Polyanionen binärer tetrelreicher Silicide und Germanide der Erdalkali- und Seltenerdmetalle hat eine Vielfalt von Motiven ergeben, deren Elektronenbilanz den klassischen Elektronenzählregeln nicht entspricht. Solche Grenzfälle zwischen Zintl-Phasen und intermetallischen Verbindungen können wichtige Einsichten in die chemische Bindung und Bausteine für die Entwicklung neuer Konzepte liefern. Diese Betrachtungen haben tetrelreiche Verbindungen mit der Zusammensetzung MTtx (M = Erdalkali- oder Seltenerdmetall, Tt = Si, Ge, x ≥ 3) als interessantes Arbeitsgebiet offenbart. Die Synthese dieser Verbindungen bedarf häufig Hochdruck-(Hochtemperatur)-Bedingungen. Während metallreiche Verbindungen meist dicht gepackte Strukturen aufweisen, in denen ionische Wechselwirkungen eine große Rolle spielen, wird die Bedeutung kovalenter Wechselwirkungen in tetrelreichen Verbindungen mit der Zusammensetzung MTtx (M = Erdalkali- oder Seltenerdmetall, Tt = Si, Ge, x ≥ 3) beispielsweise durch die Ähnlichkeit der normierten Volumina zu denen der entsprechenden Tetrele beleuchtet. Diese kovalenten Wechselwirkungen gehen meist mit metallischer Leitfähigkeit und in einigen Fällen mit Supraleitung einher. Zahlreiche dieser tetrelreichen Verbindungen überschreiten den Gültigkeitsbereich der 8-N-Regel und weisen keine elektronenpräzise Elektronenbilanz gemäß dem Zintl-Konzept auf. Die Untersuchung der interatomaren Abstände, Koordination und der chemischen Bindung schafft die Grundlage für die Entwicklung eines Konzepts zum Verständnis von Verbindungen, die sich an der Grenze zwischen Zintl-Phasen und intermetallischen Verbindungen befinden. Die Analyse der chemischen Bindung hat für die untersuchten Verbindungen Elektronenpaare offenbart, die in einem isolierten Molekül freien Elektronenpaaren entsprechen würden und die zu Wechselwirkungen zwischen der anionischen Partialstruktur und den Metallatomen beitragen.:Danksagung I 1. Einleitung 1 2. Grundlagen 3 2.1. Bindungskonzepte in polaren intermetallischen Phasen 3 2.1.1. Zintl-Klemm-Konzept 3 2.1.2. Quantenchemische Berechnungen zur Analyse der chemischen Bindung 4 2.2. Einfluss von Hochdruck- und Hochtemperaturbedingungen auf Materie 6 2.2.1. Hochdruck-Hochtemperaturmethoden im Überblick 8 2.2.2. Thermodynamische und kinetische Betrachtungen 10 2.2.3. Strukturelle Phasenumwandlungen unter Druck 12 2.2.4. Hochdruckmodifikationen der Tetrele 13 3. Methodik 15 3.1. Präparative Methoden 15 3.1.1. Edukte 15 3.1.2. Ausgangsverbindungen 15 3.1.3. Hochdruck-Hochtemperatur-Synthese 16 3.2. Charakterisierung 22 3.2.1. Thermische Analyse 22 3.2.2. Pulverröntgendiffraktometrie 22 3.2.3. Einkristallröntgendiffraktometrie 23 3.2.4. Chemische Analyse 23 3.2.5. Dichtebestimmung 24 3.2.6. Metallographische Analyse 24 3.2.7. Transmissionselektronenmikroskopie 25 3.2.8. Kernspinresonanzspektroskopie 26 3.2.9. Quantenchemische Berechnungen 27 3.2.10. Physikalische Eigenschaften 28 4. Ergebnisse 33 4.1. Strukturelle Klassifikation binärer Silicide und Germanide mit Erdalkaliund Seltenerdmetallen 33 4.2. SmGe3 38 4.2.1. Synthese 38 4.2.2. Charakterisierung 38 4.3. LuGe 45 4.3.1. Darstellung 45 4.3.2. Charakterisierung 45 4.4. LuGe3 51 4.4.1. Synthese 51 4.4.2. Charakterisierung 52 4.5. BaSi3 62 4.5.1. Darstellung 62 4.5.2. Charakterisierung 62 4.6. MgSi5 72 4.6.1. Synthese 72 4.6.2. Charakterisierung 73 4.7. Sr8Si46 80 4.7.1. Präparation 80 4.7.2. Charakterisierung 80 4.8. Diskussion 91 4.8.1. Dichteste Packung in SmGe3 91 4.8.2. Ketten in LuGe und LuGe3 93 4.8.3. Schichten in BaSi3 und LuGe3 94 4.8.4. Kristallchemischer Vergleich von dichtesten Packungen, isolierten Polyanionen, Ketten und Schichten in Tritetreliden 95 4.8.5. Käfigverbindungen MgSi5 und Sr8Si46 101 5. Vergleichende Diskussion binärer Silicide und Germanide der Erdalkali- und Seltenerdmetalle 105 6. Zusammenfassung 113 Literaturverzeichnis 117 Abkürzungs- und Symbolverzeichnis 153 Abbildungsverzeichnis 157 Tabellenverzeichnis 167 Publikationen 169 Lebenslauf 171 Beiträge zu dieser Arbeit 173 A. Anhang 175 A.1. Grundlagen 175 A.1.1. Hochdruckmodifikationen der Tetrele 175 A.1.2. Bekannte binäre Silicide und Germanide mit Erdalkali- und Seltenerdmetallen 175 A.2. Methodik 179 A.2.1. Edukte 179 A.3. Ergebnisse 179 A.3.1. Sm3Ge5 179 A.3.2. SmGe3 181 A.3.3. MgSi5 181 A.4. Vergleichende Diskussion der binären Silicide und Germanide dieser Arbeit 182 B. Anhang 183 B.1. Ergebnisse 183 B.1.1. SmGe3 183 B.1.2. LuGe 185 B.1.3. LuGe3 188 B.1.4. BaSi3 192 B.1.5. MgSi5 195 B.1.6. Sr8Si46 203 Eidesstattliche Erklärung 210