Die strukturelle Vielfalt von Metallphosphonaten macht sie zu vielversprechenden Kandidaten für vielzählige Anwendungen, erschwert aber zugleich eine planmäßige Synthese. Die Untersuchung der Bildungsmechanismen kristalliner Übergangs-metallphosphonate stellt Zusammenhänge zwischen Synthesebedingungen und resultierender Struktur her. In dieser Arbeit wurden unterschiedliche Phosphonsäuren mit divalenten Metallionen umgesetzt und so verschiedene Metallphosphonate mit diversen Strukturen erhalten. Die Kristallstrukturen neuer Verbindungen wurden mittels Röntgenpulver-diffraktometrie aufgeklärt. Systematische Untersuchungen zeigten einen direkten Zusammenhang zwischen bestimmten Strukturmotiven und Eigenschaften der Verbindungen. Das Bestreben nach umweltfreundlichen und wirtschaftlichen Synthesemethoden wird durch die Mechanochemie erfüllt. Die zugrundeliegenden Reaktions-mechanismen liegen im Dunkeln, sodass Mechanochemie größtenteils als „trial and error“-Methode funktioniert. In situ Untersuchungen mechanochemischer Reaktionen erlauben die Aufklärung der Reaktionswege und weitere Optimierung der Prozesse. Nach der Optimierung des experimentellen Aufbaus wurde in dieser Arbeit eine Kombination der Methoden Röntgenpulverdiffraktometrie und Thermographie zur Aufklärung der Bildungmechanismen von Metallphosphonaten eingesetzt. Die Ergebnisse der in situ Untersuchungen zeigen die Bildung von Metallphosphonaten als dreistufigen Prozess, der über einen nicht-kristallinen Zustand verläuft. / The structural diversity of metal phosphonates makes them promising candidates for numerous applications, but at the same time makes planned synthesis difficult. The study of the formation mechanisms of crystalline transition metal phosphonates establishes correlations between synthesis conditions and resulting structure. In this work, different phosphonic acids were reacted with divalent metal ions to obtain various metal phosphonates with diverse structures. The crystal structures of new compounds were solved by X-ray powder diffraction. Systematic studies showed a direct correlation between certain structural motifs and properties of the compounds. The search for environmentally friendly and economical synthesis methods is met by mechanochemistry. The underlying reaction mechanisms are unclear, so mechanochemistry functions largely as a "trial and error" method. In situ studies of mechanochemical reactions allow the elucidation of reaction pathways and further optimization of processes. After optimizing the experimental setup, a combination of X-ray powder diffraction and thermography methods was used in this work to elucidate the formation mechanisms of metal phosphonates. The results of the in situ investigations show the formation of metal phosphonates as a three-step process proceeding via a non-crystalline state.

Im Rahmen dieser Dissertation wurden (I) erstmalig Metallphosphonate mechanochemisch synthetisiert, (II) 21 neue Strukturen mit Hilfe der Röntgenpulverdiffraktometrie gelöst und (III) die Reaktionsverläufe mittels in situ Methoden untersucht. Die Mechanochemie erwies sich als sehr geeignete Methode, um Metallphosphonate mit verschiedenen Metallen, Liganden und Strukturen darzustellen. Durch Variation des Verhältnisses der Edukte können die Reaktionen gesteuert werden. Etliche neue Metallphosphonat-Strukturen konnten mit Hilfe der erhaltenen Röntgenpulverdiffraktometrie-Daten gelöst werden. Dabei war auch die Aufklärung seltener Strukturmotive möglich. Durch die Resultate existiert nun eine schnelle, einfache und umweltfreundliche Alternative für die Herstellung von Metallphosphonaten. Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei experimentelle Aufbauten für die in situ Untersuchung von Reaktionen entwickelt: (i) für mechanochemische Reaktionen mittels Synchrotron-Röntgenpulverdiffraktometrie und Raman-Spektroskopie, (ii) für mechanochemische Reaktionen mittels Thermographie und Raman-Spektroskopie sowie (iii) für Fällungsreaktionen bei Raumtemperatur mittels Synchrotron-Röntgenpulverdiffraktometrie. Durch die erhaltenen Ergebnisse konnten tiefgreifende Einblicke in die Bildungsmechanismen von Metallphosphonaten gewonnen werden. Für die mechanochemische Darstellung von Metallphenylphosphonaten wurde ein mehrstufiger Diffusionsmechanismus gefunden. Anhand der thermographischen Messungen wird deutlich, dass die Reaktionstemperatur einen großen Einfluss auf die Gesamttemperatur des Systems hat. Klassische Erklärungsmodelle für mechanochemische Reaktionen können für die hier untersuchten Systeme ausgeschlossen werden. Die in dieser Arbeit gewonnen Erkenntnisse über die Bildungsmechanismen und Strukturen der di- und tetravalenten Metallphosphonate liefern einen wichtigen Beitrag auf dem Weg zur zielgerichteten Darstellung von Metallphosphonaten. / In this dissertation (I) metal phosphonates were mechanochemically synthesized for the first time, (II) 21 new structures were solved from powder X-ray diffraction data and (III) the reaction pathways were investigated with in situ methods. Mechanochemistry has shown to be very suitable for synthesizing metal phosphonates with different metals, ligands, and structures. By varying the ratio of the reactants, it is possible to control the reaction pathway. Several new metal phosphonate structures were solved from the powder X-ray diffraction data. It was also possible to elucidate rare structures. The results demonstrate a new fast, facile, and environmental friendly alternative for the preparation of metal phosphonates. During this dissertation three experimental setups for the in situ investigation of reactions were developed: (i) for mechanochemical reactions via synchrotron-powder X-ray diffraction and Raman spectroscopy, (ii) for mechanochemical reactions via thermography and Raman spectroscopy and (iii) for precipitation reactions via synchrotron-powder X-ray diffraction. The gained results provided an insight into the formation of metal phosphonates. For the mechanochemical synthesis of metal phenylphosphonates a multi-step diffusion mechanism was found. From the thermography studies, it is proven that the reaction temperature has a big impact on the temperature of the whole system. Classical theories for mechanochemical reactions can be ruled out for the investigated systems. The results gained in this thesis about the formation mechanisms and structures of di- and tetravalent metal phosphonates provide an important contribution for the targeted synthesis of metal phosphonates.