Mit der vorliegenden Arbeit wurden neue Erkenntnisse bei der Aufklärung der Mechanismen, die für die Reaktivität von Übergangsmetall- und Metalloxid-Clustern verantwortlich sind, gewonnen. Dies ist aus zwei Gründen gelungen: Zum einen erlaubt die gradienten-korrigierte Dichtefunktional-Methode eine zuverlässige Beschreibung von strukturellen und energetischen Eigenschaften dieser Cluster, insbesondere durch die Entwicklung einer neuen Generation von Hybrid-Austausch- und Korrelations-Funktionalen im Rahmen der verallgemeinerten Gradienten-Näherung. Diese wurden erstmalig in entsprechenden quantenchemischen Programmen implementiert und getestet. Zum zweiten stellte die fruchtbare Zusammenarbeit mit den experimentellen Bereichen, eine Herausforderung für die Theorie dar, mittels der gewonnenen Erkenntnisse zur konzeptionellen Planung der Experimente beizutragen (A. Fielicke, Dissertation, Humboldt-Universität zu Berlin, 2001). / In this work the transition metal and metal oxide clusters has been investigated with the aim of gaining a better insight into the mechanisms which govern their reactivity. The theoretical study of the structural and energetic properties of the clusters has been carried out within the framework of the density functional theory by means of a new family of gradient-corrected hybrid density functionals which has been coded for the first time into quantum chemistry packages. The theoretical findings stimulated the experimental investigation of the gas phase reactivity of these species which confirmed the correctness of the reaction mechanism models proposed (A. Fielicke, Doctoral Thesis, Humboldt-Universität zu Berlin, 2001).

Early transition metal oxide clusters have been a focus of study for several years. The production of vanadium oxide cluster anions in a pulsed helium flow reactor provides a relatively precise way of introducing defect sites and controlling the oxidation state of the vanadium atoms. The composition of the clusters can be changed from the V2O5 stoichiometry, where the vanadium atom is in a +5 oxidation state, to more reduced stoichiometries yielding a mixture of oxidation states containing atoms in the +2 oxidation state. The subsequent addition of reactant gases such as H2O and SO2 yields very intense adsorption reactions as well as a demonstration of the robustness of particular defect free clusters. For example, the cluster has been identified as a defect free cluster where all vanadium atoms are in the +5 oxidation state and all oxygen atoms are predicted to be in the 2- state. The cluster has been shown to not adsorb SO2- while clusters in a reduced oxidation state, such as and readily adsorb one or more SO2 molecules. The adsorption process has been shown to be size dependent, with the smallest monovanadium oxide anions being the most reactive.

Aussagen zur Reaktivität von Metalloxidclustern in der Gasphase wurden aus Messungen von totalen integralen Wechselwirkungsquerschnitten an Gastargets abgeleitet und diese mit Untersuchungen des Reaktionsverlaufes unter thermalisierten Bedingungen in einem Fließreaktor korreliert. Diese Untersuchungen konnten mit einer speziell entwickelten Molekularstrahlapparatur ausgeführt werden, die detailliert beschrieben wird. Mittels dieser beider Methoden wurden die Reaktionen von Bismutoxid-Clusterkationen mit Alkenen untersucht. Als Hauptreaktionskanal wird hier eine Assoziation des Alkens festgestellt. Einzelne Clusterkationen lagern zusätzlich zum Alken molekularen Sauerstoff an. Aus der massenspektrometrisch beobachteten Reaktionsfolge wird ein Mechanismus für die Aktivierung des molekularen Sauerstoffs und die Übertragung auf den Kohlenwasserstoff abgeleitet. Diese Resultate werden durch jüngste quantenchemische Rechnungen bestätigt. (M. Bienati, Dissertation, Humboldt-Universität zu Berlin, 2001) / Insights into the reactivity of metal oxide clusters in the gas phase have been gained from total integral cross sections measured with gas targets and investigations of the reaction sequences at thermalized conditions in a fast flow reactor. These experiments have been carried out with a newly designed molecular beam apparatus, which is described in detail. Applying these two techniques, the reactions of bismuth oxide cluster cations with alkenes have been probed. The main reaction channel is the association of alkenes, but particular clusters bind molecular oxygen additionally. A mechanism for this activation of molecular oxygen and its transfer towards the hydrocarbon has been derived from the mass spectrometrically measured reaction sequence, which is supported by recent theoretical calculations (M. Bienati, Doctoral Thesis, Humboldt-Universität zu Berlin, 2001)