Zugl.: Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2009

Universiẗat, Diss., 2001--Osnabrück.

University, Diss., 2005--Würzburg. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2004.

Universiẗat, Diss., 2002--München.

Universiẗat, Diss., 2001--Bonn.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Herstellung von elektrochromen (Nanokomposit-) Materialien auf der Basis des Metall-Komplexes Fe(ph-tpy)2 und eines Metallo-supramolekularen Polyelektrolyten (Fe-MEPE) für den Einsatz in glas- und kunstoffbasierten elektrochromen Elementen (ECDs) mit elektrisch schaltbarer Transmission untersucht. Mittels Layer-by-Layer (LbL)- und Tauchbeschichtungsverfahren ist es möglich, homogene Fe-MEPE-Filme auf transparenten, leitfähigen Oxidsubstraten (TCO) herzustellen. Die eingesetzten TCO-Substrate besitzen eine hohe Transparenz im sichtbaren Bereich und einen geringen Flächenwiderstand, so dass in elektrochromen Elementen (ECDs) hohe Transmissionswerte im Hellzustand und kurze Schaltzeiten erzielt werden können. Als Referenzmaterial wurde Fe(ph-tpy)2 untersucht, um die Vorteile von polymeren Strukturen gegenüber mononuklearen Metall-Komplexen aufzuzeigen. Die rosa-violetten Fe(ph-tpy)2-Komplexe eignen sich nicht für die Herstellung elektrochromer Dünnschichten, aufgrund der schlechten Benetzbarkeit und Haftung auf TCO-Substraten. Dagegen besitzen Fe-MEPE hervorragende elektrochrome Eigenschaften. Fe-MEPE ist gut löslich in Alkoholen und Etheralkoholen, wobei in MeOH der größte Extinktionskoeffizient εmax (46.890 M-1•cm-1) erreicht wird. Ein Vergleich zwischen LbL-assemblierten und tauchbeschichteten Fe-MEPE-Schichten zeigt, dass die elektrochromen Filme mittels Tauchbeschichtung schneller hergestellt werden können und geringere Schaltzeiten haben. Die höchste optische Qualität wird mit einem Lösungsmittelgemisch aus EtOH, MeOH und 2-Butoxyethanol erreicht. Die Schichten weisen eine homogene, defektfreie Oberfläche mit hoher Transparenz auf. Fe-MEPE-Schichten sind bis etwa 100 °C stabil. Bei weiterer Erhöhung der Temperatur färben sie sich irreversibel grün färben und lassen sich nicht mehr schalten. Die Grünfärbung ist durch eine Änderung der Molekularstruktur der Fe-MEPE-Polymere bedingt. Ab einer Temperatur von etwa 100 °C findet ein Übergang von der Niedrigtemperatur- zu einer Hochtemperaturphase statt. Der axiale Fe-N-Abstand verringert sich dabei von 1,95 auf 1,88 Å, der äquatoriale Fe-N-Abstand vergrößert sich von 1,98 auf 2,01 Å. Elektrochemische Untersuchungen zeigen, dass Fe-MEPE-Schichten bei Spannungen im Bereich von 3,85 bis 4,10 V vs. Li/Li+ in flüssigen organischen Elektrolyten von blau nach farblos schalten durch Oxidation von Fe(II) nach Fe(III) und bei etwa 4,00 bis 3,75 V vs. Li/Li+ färben sich die Fe-MEPE-Schichten reduktiv wieder blau. Es können hohe Coulomb-Effizienzen von etwa 94 %, Färbeeffizienzen η > 500 cm2•C-1 bei 592 nm und visuelle Transmissionsunterschiede Δτv von bis zu 58 % erreicht werden. Jedoch lösen sich die Fe-MEPE-Schichten ohne Hybridpolymer (ORMOCER®) als Bindemittel in einigen flüssigen und gelförmigen Elektrolyten nach einigen tausend Schaltzyklen teilweise ab. Um die Haftung und die thermische Stabilität der elektrochromen Schichten zu verbessern, werden Fe(ph-tpy)2 und Fe-MEPE in ein ORMOCER® eingebettet. Hierfür ist ein hydroxy-funktionalisiertes ORMOCER® mit einem hohen OH/Si-Verhältnis (1,75 : 1) am besten geeignet. Im Gegensatz zu den rosa-violetten ORMOCER®/Fe(ph-tpy)2-Schichten weisen die blau gefärbten ORMOCER®/Fe-MEPE-Schichten eine bessere Filmbildung sowie eine höhere Homogenität und Transparenz auf. Mit einem Lösungsmittelgemisch aus EtOH, MeOH und 2-Butoxyethanol können mittels Tauchbeschichtung homogene ORMOCER®/Fe-MEPE-Filme mit geringem Haze (< 0,5 %) bis zu einer Probengröße von 20 x 30 cm2 hergestellt werden. Die elektrochromen Eigenschaften bleiben bis zu einem ORMOCER®/Fe-MEPE-Verhältnis von 40:1 und Schichtdicken von etwa 10 µm erhalten, wobei die Schaltgeschwindigkeit mit zunehmendem ORMOCER®-Anteil abnimmt. Als optimal erweist sich ein ORMOCER®/Fe-MEPE-Verhältnis von 3:1, bei dem die Schichten hervorragende optische und elektrochrome Eigenschaften sowie eine gute thermische und mechanische Beständigkeit besitzen. Die thermische Stabilität der ORMOCER®/Fe-MEPE-Filme kann so auf über 100 °C erhöht werden; die blaue Farbe und die elektrochromen Eigenschaften der Schichten bleibt auch nach kurzzeitigem Tempern bei 200 °C erhalten. Im Vergleich zu Fe-MEPE-Schichten ohne ORMOCER® ist die Intensität der Metal-to-Ligand Charge Transfer (MLCT)-Bande bei etwa 593 nm und die Ladungsdichte der ORMOCER®/Fe-MEPE-Schichten bei gleicher Schichtdicke geringer, was zur Folge hat, dass auch die Färbeeffizienz η der Kompositmaterialien geringer ist. Allerdings konnte der visuelle Transmissionsunterschied Δτv auf 62 % gesteigert werden und die ORMOCER®/Fe-MEPE-Schichten besitzen darüberhinaus eine hohe Zyklenstabilität über mehrere tausend Schaltzyklen ohne signifikanten Ladungsverlust. Weiterhin weist in ORMOCER® eingebettetes Fe-MEPE polyelektrochrome Eigenschaften auf; bei negativen Spannungen (< -1,9 V vs. Fc/Fc+) färben sich die ORMOCER®/Fe-MEPE-Schichten grün und weisen eine starke Absorption im NIR-Bereich auf. Im Hinblick auf eine Verwendung von Fe-MEPE bzw. ORMOCER®/Fe-MEPE als Arbeitselektrode (WE) in ECDs sind verschiedene Materialien, wie z. B. ITO, V2O5, TiVOx und Preußisch Blau (PB), für den Einsatz als Gegenelektrode (CE) denkbar. Vor allem PB ist als Material für die CE interessant, da es komplementär zu Fe-MEPE von blau nach farblos schaltet. Dadurch kann in einem ECD mit einer Fe-MEPE-basierten WE der visuelle Transmissionsunterschied ∆τv im Vergleich zu ECDs mit einer V2O5- oder TiVOx-Gegenelektrode, die keinen farblosen Redoxzustand besitzen, erhöht werden. Demnach stellen Fe-MEPE bzw. ORMOCER®/Fe-MEPE vielversprechende elektrochrome Materialien für den Einsatz in schaltbaren Fenstern (Smart Windows) dar, vor allem wegen hervorragender Beschichtungseigenschaften, hoher Färbeeffizienz und kurzen Schaltzeiten. / In this thesis the fabrication of electrochromic (nanocomposite-) materials based on the metal-complex Fe(ph-tpy)2 and a metallo-supramolecular polyelectrolyte (Fe-MEPE) for use in glass and plastic electrochromic devices (ECD) with electrically switchable transmittance was investigated. Using Layer-by-Layer (LbL) deposition and dip-coating it is possible to fabricate homogeneous Fe-MEPE films on transparent conductive oxide substrates (TCO). The used TCO substrates have high transparency in the visible region and low sheet resistance so that the electrochromic element can achieve in the bleached state high transmittance and fast switching times. The reference material Fe(ph-tpy)2 was investigated to reveal the advantages of polymeric structures compared to mononuclear metal complexes. The purple Fe(ph-tpy)2 complexes are not useful for fabrication of electrochromic thin films because of their weak wettability and adhesion on TCO substrates. In contrast Fe-MEPE exhibits remarkable electrochromic properties. Fe-MEPE is readily soluble in alcohols and ether alcohols, in which the largest extinction coefficient εmax is obtained in MeOH (46.890 M-1•cm-1). A comparison between LbL-assembled and dip-coated Fe-MEPE films shows that electrochromic thin films can be easierly fabricated by dip-coating process and have faster switching times. The highest optical quality is obtained with a solvent mixture of EtOH, MeOH and 2-butoxyethanol. The thin films show a homogeneous, defect-free surface with high transparency. Fe-MEPE films are stable up to 100 °C. At higher temperatures the colour turns irreversible green and the films are no longer switchable. A change of the molecular structure of the Fe-MEPE polymers is responsible for the green colouration. At a temperature of approximately 100 °C a transition from low to high temperature state can be observed. The axial Fe-N bond is shortened from 1,95 to 1,88 Å, the equatorial Fe-N bond is elongated from 1,98 to 2,01 Å. Electrochemical investigations show that Fe-MEPE thin films switch at voltages between 3,85 and 4,10 V vs. Li/Li+ in liquid organic electrolytes from blue to colourless upon oxidation of Fe(II) to Fe(III) and at around 4,00 to 3,75 V vs. Li/Li+ the Fe-MEPE films turn blue again upon reduction. High couloumb efficiencies of approx. 94 %, colouration efficiencies η > 500 cm2•C-1 at 592 nm and visible optical contrasts Δτv up to 58 % could be reached. However, the Fe-MEPE films without a hybrid polymer (ORMOCER®) as binder can be partially dissolved in some liquid and gel electrolytes after a while. To improve the adhesion and the thermal stability of the electrochromic layers Fe(ph-tpy)2 and Fe-MEPE are embedded in an ORMOCER®. Therefore, a hydroxy functionalized ORMOCER® with a high OH/Si ratio (1,75 : 1) is most suitable. In contrast to the purple ORMOCER®/Fe(ph-tpy)2 films the blue coloured ORMOCER®/Fe-MEPE layers exhibit better film formation and higher homogeneity and transparency. With a solvent mixture of EtOH, MeOH and 2-butoxyethanol homogeneous ORMOCER®/Fe-MEPE films with low haze (< 0,5 %) could be fabricated up to a sample size of 20 x 30 cm2. The electrochromic properties remain up to an ORMOCER®/Fe-MEPE ratio of 40:1 and layer thicknesses of around 10 µm, in which the switching speed decreases with an increasing ORMOCER® ratio. The optimum is an ORMOCER®/Fe-MEPE ratio of 3:1, in which the thin films exhibit outstanding optical and electrochromic properties as well as good thermal and mechanical stability. The thermal stability of ORMOCER®/Fe-MEPE films could be increased above 100 °C; the blue colour and the electrochromic properties of the films are preserved also after a short annealing step at 200 °C. In comparison to the Fe-MEPE films without ORMOCER® the intensity of the metal-to-ligand charge transfer (MLCT) transition at around 593 nm and the charge density of the ORMOCER®/Fe-MEPE films with the same layer thickness is lower, which also leads to a lower colouration efficiency of the nanocomposite materials. However, Δτv could be increased up to 62 % and the ORMOCER®/Fe-MEPE films show a high cycle stability over several thousand cycles without significant loss of charge density. Furthermore, in ORMOCER® embedded Fe-MEPE exhibit polyelectrochromic properties; at negative voltages (< -1,9 V vs. Fc/Fc+) the ORMOCER®/Fe-MEPE films are green coloured and show a strong absorbance in the NIR region. With regard to the use of Fe(ph-tpy)2 and Fe-MEPE as working electrode (WE) in ECDs various materials, such as ITO, V2O5, TiVOx and Prussian blue (PB), are suitable for the use as counter electrode (CE). In particular, PB is interesting as a material for the CE, because it switches complementary to Fe-MEPE from blue to colourless. Thus, in an ECD with a Fe-MEPE-based WE the visible optical contrast ∆τv can be increased in comparison to ECDs with V2O5 or TiVOx as counter electrode, which have no colourless redox state. As a result Fe-MEPE or ORMOCER®/Fe-MEPE are promising electrochromic materials for the use in switchable windows (smart windows), particularly because of their excellent coating properties, high colouration efficiencies and fast switching times.

Zur Züchtung von Gewebe außerhalb des Körpers wird ein struktureller und biologischer Ersatz für die natürliche Extrazelluläre Matrix (ECM) benötigt, der durch künstliche Gerüst-struk¬tu¬ren, sogenannte Scaffolds, realisiert wird. Aktuell werden einige natürliche und synthe-tische biodegradierbare Polymere als Scaffold¬materialien verwendet, die jedoch alle noch signifi¬kante Nachteile aufweisen, weshalb verstärkt an Alternativen geforscht wird. Das Ziel dieser Arbeit war daher, auf Basis klassischer anorganisch-organischer Hybridpolymere, neuartige biodegradierbare Hybridpolymere zu synthetisieren, die ebenfalls durch einfache Variationen in ihrem strukturellen Aufbau gezielt modifiziert werden können. In diesem Zusammen¬hang sind Untersuchungen zur Erstellung grundlegender Struktur-Eigenschafts-beziehungen dieser sogenannten partiell degradierbaren Hybridpolymere von besonderer Bedeutung und daher ein wesentlicher wissen¬schaft¬licher Grundbestandteil dieser Arbeit, um dementsprechend anwendungs¬bezo¬gene Eigen¬schaften wie beispielsweise das E-Modul und die Degradationsrate definiert einstellen zu können. / In order to grow tissue outside of the body a structural and biological substitute for the natural extracellular matrix (ECM) is needed which can be realized by so-called scaffold structures. Currently some natural and synthetic biodegradable polymers are used as materials for these scaffolds, but all of them have significant disadvantages, which is why there is a strong need for alternative materials. Therefore, the objective of this work was to synthesize novel biodegradable hybrid polymers which can be varied in their structural setup by simple modifications using the material concept of conventional inorganic-organic hybrid polymers as a starting point. In this context the fundamental relations between the structure of these so-called partially degradable hybrid polymers and their properties are of outstanding importance and therefore form a further fundamental academic element of this work. Thus, it is possible to adjust use-oriented properties, i. e. the Young’s modulus and the degradation rate, as predefined by the specific application.

Mit der präparativen Synthese der Tetraorganozinn(IV)-verbindung 4-[2-(Triphenylstannyl)ethylpyridin, Ph3Sn-(CH2)2-4Py, ausgehend von der Lewis-Säure Triphenylzinnchlorid, Ph3SnCl, konnte eine Blockade der reaktiven Lewis-Säure in Form des Zinnatoms dargestellt werden, in dem vier organische Liganden das zentrale Zinnatom einerseits topologisch und andererseits durch die weitreichende Stabilität von Zinn-Kohlenstoff-Bindungen abschirmen. Die Funktionalität konnte dadurch auf das funktionelle Stickstoffatom mit seiner Lewis-Base-Funktion, was neben der strukturellen Charakterisierung von 4-[2-(Triphenylstannyl)ethylpyridin durch eine Vielzahl an weiteren Verbindungen gezeigt werden konnte, verschoben werden. Synthesemöglichkeiten zu Komplexen von 4-[2-(Triphenylstannyl)ethylpyridin mit Übergangsmetalldichloriden, Triorganozinnhalogeniden und Diorganozinndihalogeniden konnten ebenso wie Salzbildungen zu 4-[2-(Triphenylstannyl)ethylpyridinium-halogeniden gezeigt werden. Verschiedentliche Umsetzungen konnten die Neigung der Bildung von Kokristallisaten zusammen mit protonierten Formen von 4-[2-(Triphenylstannyl)ethylpyridin und weiteren Stoffklassen zeigen. Durch Umsatz mit meta-Chlorperbenzoesäure wurde das Oxidationsprodukt 4-[2-(Triphenylstannyl)ethylpyridin-N-oxid dargestellt. Die Reaktivierung der eigentlichen Lewis-Säure-Funktion des Zinnatoms wurde über Synthesen mit Halogenwasserstoffsäuren im Verhältnis über 1 : 2 realisiert. Die Arbeit thematisert neben den Studien zur Synthese und chemischen Funktionalität ausführlich relevante Strukturaspekte der über Röntendiffraktometrie gewonnenen Strukturparameter der dargestellten Verbindungen.

In der vorliegenden Arbeit werden die Synthese, das Reaktionsverhalten und die elektrochemischen Eigenschaften neuartiger heterometallischer Übergangsmetallkomplexe beschrieben. Zum einen ist in diesen Komplexen ein frühes Übergangsmetallzentrum in hoher Oxidationsstufe, z.B. Ti(IV), mit einem späten Übergangsmetallzentrum in niedriger Oxidationsstufe, z.B. Ru(II), über ein organisches, pi-konjugiertes System verknüpft. Die Darstellung dieser sog. ¨Early-Late¨-Komplexe erfolgt durch sigma,sigma-, sigma,hapto1- oder sigma,hapto2-Koordination der organischen Bausteine an die entsprechenden Übergangsmetallkomplexfragmente. Diese Komplexe können als Modellverbindungen für eine elektronische Kommunikation zwischen unterschiedlichen Metallzentren angesehen werden. Eine durch das pi-konjugierte System vermittelte Wechselwirkung konnte mittels cyclovoltammetrischer Methoden nachgewiesen werden. Zum anderen wurden wegbereitende Arbeiten zur Synthese metallorganischer Polymere unternommen. Diese neuartigen Polymere sollen einen durch die Gestalt der Monomere vorgebildeten Richtungsvektor besitzen. Dafür wurde eine Reihe ein- und mehrkerniger, homo- und heterometallischer Platin(II)-Acetylide synthetisiert um an ihnen Untersuchungen zur Stabilität der Pt-CCC sigma-Bindung durchzuführen. Das elektrochemische Verhalten dieser Komplexe wurde untersucht. Die Eignung des Pt(II)-Systems [Pt{C6H2(CH2NMe2)2-2,6-(CC)-4)] zum Aufbau leitender organometallischer Polymere konnte nachgewiesen werden.

The present thesis deals with the synthesis, the reaction behavior, the solid-state structures, as well as the electrochemical properties of new heterobi- to heterotetrametallic transition metal complexes which are based on various ferrocenyl carboxylates and titanocenes of type [Ti](C≡CSiMe₃)₂ ([Ti] = (η⁵-C₅H₄SiMe₃)₂Ti). <br/> Besides, the synthesis and the reaction behavior of bi- to heptametallic compounds, which are available from fc(CO₂H)(PPh₂) (fc = (η⁵-C₅H₄)₂Fe), is pointed out. By means of cyclovoltammetric measurements the electronic influence of additional transition metal complex fragments is investigated. <br/> A further main topic includes the synthesis of 1-amide-functionalized diphenylphosphinoferrocenes as well as the linking of diphenylphosphinoferrocenyl units to branched systems by means of amide bonds. The different coordination behavior of 1-amide-functionalized diphenylphosphinoferrocenes to Pd(II)-, Cd(II)-, and Hg(II)-salts is reflected and discussed in their solid-state structures. The suitability of such Pd(II)-compounds as catalytic active systems in Suzuki- and Heck-cross-coupling reactions is investigated. <br/> Moreover, the synthesis, structure, electronic, electrochemical, and magnetic properties of heterobimetallic Co(II)-, Ni(II)- and Cu(II)-complexes, based on 1,1‘-ferrocenyldicarboxylic units are presented. / Die vorliegende Arbeit befasst sich unter anderem mit der Synthese, dem Reaktionsverhalten, den Festkörperstrukturen sowie den elektrochemischen Eigenschaften neuartiger heterobi- bis heterotetrametallischer Übergangsmetallkomplexe, welche auf verschiedenen Ferrocenylcarboxylaten und Titanocenen des Typs [Ti](C≡CSiMe₃)₂ ([Ti] = (η⁵-C₅H₄SiMe₃)₂Ti) basieren. Weiterhin wird die Darstellung und das Reaktionsverhalten bi- bis heptametallischer Verbindungen aufgezeigt, welche ausgehend vom 1,1’-funktionalisierten Ferrocen fc(CO₂H)(PPh₂) (fc = (η⁵-C₅H₄)₂Fe) zugänglich sind. Durch cyclovoltammetrische Untersuchungen wird der elektronische Einfluß weiterer Übergangsmetallkomplexfragmente im System untersucht. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit umfasst die Darstellung von 1-amidfunktionalisierten Diphenylphosphinoferrocenen sowie die Anknüpfung von Diphenylphosphinoferrocenyl-Einheiten über Amidbindungen an verzweigte Systeme. Das unterschiedliche Koordinationsverhalten von 1-amidfunktionalisierten Diphenylphosphinoferrocenen gegenüber Pd(II)-, Cd(II)- und Hg(II)-Salzen ist in ihren Festkörperstrukturen erkennbar und wird diskutiert. Die Eignung derartiger Pd(II)-Verbindungen als katalytisch aktive Systeme in Suzuki- und Heck-Kreuzkupplungen wird untersucht. Ferner werden Darstellung, Struktur, elektronische, elektrochemische und magnetische Eigenschaften von heterobimetallischen Co(II)-, Ni(II)- und Cu(II)-Komplexen basierend auf 1,1’-Ferrocenyldicarboxylat-Einheiten aufgezeigt.