Ausgehend von chlorhaltigem Oligosilan, erhalten durch Disproportionierung der „Disilan-Fraktion“ der Müller-Rochow-Synthese, wurde mit verschiedenen Aminen dechloriert bzw. strukturell modifiziert. Die auf diese Weise in das Oligosilan eingeführten Baugruppen wurden spektroskopisch und durch Vergleich mit geeigneten Modellverbindungen identifiziert. Vernetzungsgrad und keramische Ausbeute der erzeugten Materialen wurden bestimmt. Mit Ammoniak oder einwertigen Aminen wie Methylamin werden Produkte erhalten, die sich nicht zu Keramikfasern verarbeiten lassen. Letzteres scheitert daran, dass entweder keine signifikante Molekulargewichtserhöhung des Oligosilans erreicht wird, oder führt dazu, dass das Oligomer vergelt und damit in Toluol unlöslich wird. Durch Umsetzung des Oligosilans mit zweiwertigen Aminen wie EDA oder TMDA als Vernetzungsreagenz gelang es, eine Syntheseroute zu entwickeln, die – anders als bei der am ISC etablierten Route – keinen thermischen Vernetzungsschritt erfordert, d.h. die gesamte Synthese findet bei Temperaturen ≤200 °C statt. Hierbei wird eine kontrollierbare Erhöhung des Molekulargewichts erreicht. Die Verwendung von TMDA hat gegenüber EDA den Vorteil, dass aufgrund des Ausbleibens von Ringbildung ein höher vernetztes Polymer erhalten wird. Darüber hinaus wurde gefunden, dass Grünfasern während der Pyrolyse durch radikalisch vernetzbare Gruppen (C=C-Doppelbindungen) im Polymer stabilisiert werden können. Diese Gruppen lassen sich entweder durch Dechlorierung mit Allylamin oder durch Umsetzung mit Vinyl-Grignard-Reagenzien einführen. Allylamin erwies sich hierbei als geeigneter, da es preiswerter und leichter handhabbar ist und außerdem – im Gegensatz zu Vinyl-Grignard-Reagenzien – eine vollständige Dechlorierung des Polymers gestattet. Alle Polymere wurden auf ihre Verarbeitbarkeit zu Grün- und anschließend zu Keramikfasern untersucht. Hierbei wurde gefunden, dass die im Hinblick auf die Eigenschaften der resultierenden Keramikfasern günstigste Rezeptur in der Umsetzung eines zuvor mit DMA vollständig dechlorierten Oligosilans mit 18,2 mol-% TMDA und 40 mol-% Allylamin (bezogen auf NMe2-Gruppen) besteht. Die aus diesem Polymer erhaltenen Keramikfasern zeigen die für noch nicht technisch ausgereifte, im Stadium der Entwicklung befindliche Fasern typischen Festigkeiten und entsprechen damit denjenigen, die auf der am ISC bereits etablierten Route erhältlich sind. Dies macht sie zu aussichtsreichen Kandidaten für die weitere Optimierung. / Based on chlorine containing oligosilane which is synthesized via disproportionation of the “disilane fraction” of the Müller-Rochow synthesis, there have been dechlorinations respectively structural modifications with different amines. The structural components introduced into the oligosilane by this means were identified spectroscopically and by comparison with appropriate model compounds. The degree of crosslinking and the ceramic yield of the generated materials were detected. By the use of ammonia or primary amines like methylamine products are generated which cannot be converted to ceramic fibers. The latter fails because either no significant increase of the molecular weight of the oligosilane is obtained or the oligosilane gels and becomes insoluble in toluene. By the reaction of oligosilane with secondary amines like EDA or TMDA as a crosslinking reagent it succeeded to develop a synthesis route which – different from the route established at the ISC – doesn’t require any thermic crosslinking step what means that the whole synthesis takes place at temperatures ≤200°C. In this connection a controllable increase of the molecular weight is reached. The use of TMDA has the advantage over EDA that due to the absence of ring formation a higher cross-linked polymer is obtained. Furthermore it was found that green fibers can be stabilized during pyrolysis with radically curable groups (C=C double bonds) inside the polymer. These groups can be introduced either by dechlorination with allylamine or by reaction with vinyl Grignard reagents. Allylamine was proven to be more suitable because it is low-cost and easier to handle and besides – in comparison to vinyl Grignard reagents – it allows a complete dechlorination of the polymer. All polymers were analyzed concerning their processability to green and subsequent to ceramic fibers. Here it was found that the most favorable recipe with respect to the properties of the resulting ceramic fibers consists in the reaction of fully with DMA dechlorinated oligosilane with 18.2 mol-% TMDA and 40 mol-% allylamine (based on NMe2-groups). The ceramic fibers obtained from this polymer show typical stabilities as they are not yet technically mature and in the stage of development. For this reason they correlate with the ones which are already available by the established route at the ISC. This makes them to promising candidates for further optimization.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第23022号 / 理博第4699号 / 新制||理||1674(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科化学専攻 / (主査)教授 時任 宣博, 准教授 加納 太一, 教授 依光 英樹 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DGAM

Gegenstand der Dissertation ist die Synthese neuer Organosilicium-Verbindungen durch gezielten schrittweisen Gerüstaufbau zur Erzeugung von Hohlraumstrukturen mit Fähigkeit zur Kristalleinschlussbildung. In diesem Zusammenhang erwies sich die Kombination von Lithiierung plus Salzeliminierung als effiziente Syntheseroute zur kovalenten Verknüpfung von starren ethinylierten Aryleinheiten verschiedener Größe und Symmetrie mit methyl- und phenylsubstituierten Chloroligosilanen und -siloxanen bzw. partiell aminierten Chloroligosilanen. Die so erhaltenen linearen und trigonalen Siliciumorganyle vom triphenylsilyl-substituierten Typ bilden mit verschiedenen Gastsolvenzien ungewöhnlich stabile Einschlussverbindungen. Die trigonale Zielverbindung 1,3,5-Tris[2-(triphenylsilyl)ethinylbenzen tritt im Kristall, weitgehend unabhängig von Größe und Polarität des Gastsolvenz, zu einem starren Wirtgitter mit nahezu idealen ellipsoiden Cavitäten zusammen. Die U-förmige Molekülkonformation in solvenzfreien Kristallen der beschriebenen Organosiloxane stellt eine strukturelle Neuheit für Verbindungen dieses Typs dar.

Gegenstand der Dissertation ist die Synthese neuer Organosilicium-Verbindungen durch gezielten schrittweisen Gerüstaufbau zur Erzeugung von Hohlraumstrukturen mit Fähigkeit zur Kristalleinschlussbildung. In diesem Zusammenhang erwies sich die Kombination von Lithiierung plus Salzeliminierung als effiziente Syntheseroute zur kovalenten Verknüpfung von starren ethinylierten Aryleinheiten verschiedener Größe und Symmetrie mit methyl- und phenylsubstituierten Chloroligosilanen und -siloxanen bzw. partiell aminierten Chloroligosilanen. Die so erhaltenen linearen und trigonalen Siliciumorganyle vom triphenylsilyl-substituierten Typ bilden mit verschiedenen Gastsolvenzien ungewöhnlich stabile Einschlussverbindungen. Die trigonale Zielverbindung 1,3,5-Tris[2-(triphenylsilyl)ethinylbenzen tritt im Kristall, weitgehend unabhängig von Größe und Polarität des Gastsolvenz, zu einem starren Wirtgitter mit nahezu idealen ellipsoiden Cavitäten zusammen. Die U-förmige Molekülkonformation in solvenzfreien Kristallen der beschriebenen Organosiloxane stellt eine strukturelle Neuheit für Verbindungen dieses Typs dar.

Gegenstand dieser Arbeit war die Untersuchung verschiedener Systeme Chlorosilan / Amin bezüglich deren elektronischer Struktur, Molekülstruktur und Reaktivität. Einen Schwerpunkt bildete dabei die Untersuchung der LEWIS-BASE-katalysierten Disproportionierung unterschiedlich chlorierter Disilane mit elektronenreichen Alkenen, wie Tetrakis-(dimethylamino)-ethylen (TDAE) oder N,N,N’,N’-Tetramethyl-1,4-phenylendiamin (TPDA). Die Alkene sollten auf mögliche Elektronenübertragungsreaktionen, aber auch Chelatbildung mit den eingesetzten Disilanen bzw. intermediär gebildeten Silylenen getestet werden. Ein weiterer Schwerpunkt lag bei der Synthese und Charakterisierung neuer hetero- und homocyclischer Oligosilane. Die erhaltenen Cyclooligosilane wurden auf ihre Donorwirkung gegenüber elektronendefizienten π-Alkenen und eine damit verbundene Charge-Transfer-Komplexbildung untersucht. In die Auswertung wurden auch ab-initio-Berechnungen einbezogen, die mit den experimentellen Ergebnissen (u.a. NMR, IR, Röntgeneinkristallstrukturanalyse) vergleichend diskutiert wurden.

Hauptziel dieser Arbeit ist die Synthese und Charakterisierung neuer Organosilicium-Chalcogen-Verbindungen (Chalcogen: Schwefel, Selen, Tellur), sowohl mit acyclischen, als auch mono- und polycyclischen Strukturen. Dabei konnten in vielen Fällen auch isostrukturelle Verbindungen mit Germanium- oder Zinnatomen anstelle von Silicium aufgebaut werden. Insgesamt wurden 42 der dargestellten Verbindungen auch durch Röntgenkristallstrukturanalysen charakterisiert. In cyclischen und polycyclischen Verbindungen war es damit auch möglich, die auftretenden Konformationen der Ringe- bzw. Ringsysteme zu bestimmen und die Resultate mit den Ergebnissen von DFT-Berechnungen zu vergleichen. Die NMR-Spektroskopie war parallel zu Kristallstrukturanalysen und GC/MS Messungen die Methode der Wahl zur Charakterisierung der dargestellten Verbindungen. Dabei boten sich neben der 1H und 13C NMR auch die 29Si, 119Sn, 207Pb, 77Se, und 125Te NMR Spektroskopie an, da man direkt die Elemente analysiert, die die Ringsysteme aufbauen, was zu einer weit höheren Strukturempfindlichkeit führt. Vor allem beim Vergleich von 77Se und 125Te NMR Daten analoger Selen- und Tellurverbindungen ergaben sich lineare Korrelationen sowohl der chemischen Verschiebungen als auch der Kopplungskonstanten 1JSiE bzw. 1JSnE mit Faktoren von ca. 2.5. Ähnliche Korrelationen konnten auch zwischen 29Si und 119Sn bzw. 119Sn und 207Pb NMR chemischen Verschiebungen gezogen werden. Von einigen Verbindungen konnten durch 29Si MAS NMR Spektroskopie auch die Tensorhauptwerte der chemischen Verschiebung ermittelt werden. Parallel dazu wurden mittels GIAO und IGLO Verfahren die 29Si NMR chemischen Verschiebungen ausgehend von den aus den Kristallstrukturanalysen zugänglichen Geometrien berechnet. Neben cyclischen Verbindungen konnten unter Verwendung des sperrigen Hypersilylrestes auch eine Reihe acyclischer Verbindungen mit der Sequenz Si–E–Si bzw. Si–E–Sn dargestellt und z. T. auch strukturell charakterisiert werden.

Hauptziel dieser Arbeit ist die Synthese und Charakterisierung neuer Organosilicium-Chalcogen-Verbindungen (Chalcogen: Schwefel, Selen, Tellur), sowohl mit acyclischen, als auch mono- und polycyclischen Strukturen. Dabei konnten in vielen Fällen auch isostrukturelle Verbindungen mit Germanium- oder Zinnatomen anstelle von Silicium aufgebaut werden. Insgesamt wurden 42 der dargestellten Verbindungen auch durch Röntgenkristallstrukturanalysen charakterisiert. In cyclischen und polycyclischen Verbindungen war es damit auch möglich, die auftretenden Konformationen der Ringe- bzw. Ringsysteme zu bestimmen und die Resultate mit den Ergebnissen von DFT-Berechnungen zu vergleichen. Die NMR-Spektroskopie war parallel zu Kristallstrukturanalysen und GC/MS Messungen die Methode der Wahl zur Charakterisierung der dargestellten Verbindungen. Dabei boten sich neben der 1H und 13C NMR auch die 29Si, 119Sn, 207Pb, 77Se, und 125Te NMR Spektroskopie an, da man direkt die Elemente analysiert, die die Ringsysteme aufbauen, was zu einer weit höheren Strukturempfindlichkeit führt. Vor allem beim Vergleich von 77Se und 125Te NMR Daten analoger Selen- und Tellurverbindungen ergaben sich lineare Korrelationen sowohl der chemischen Verschiebungen als auch der Kopplungskonstanten 1JSiE bzw. 1JSnE mit Faktoren von ca. 2.5. Ähnliche Korrelationen konnten auch zwischen 29Si und 119Sn bzw. 119Sn und 207Pb NMR chemischen Verschiebungen gezogen werden. Von einigen Verbindungen konnten durch 29Si MAS NMR Spektroskopie auch die Tensorhauptwerte der chemischen Verschiebung ermittelt werden. Parallel dazu wurden mittels GIAO und IGLO Verfahren die 29Si NMR chemischen Verschiebungen ausgehend von den aus den Kristallstrukturanalysen zugänglichen Geometrien berechnet. Neben cyclischen Verbindungen konnten unter Verwendung des sperrigen Hypersilylrestes auch eine Reihe acyclischer Verbindungen mit der Sequenz Si–E–Si bzw. Si–E–Sn dargestellt und z. T. auch strukturell charakterisiert werden.

Gegenstand dieser Arbeit war die Untersuchung verschiedener Systeme Chlorosilan / Amin bezüglich deren elektronischer Struktur, Molekülstruktur und Reaktivität. Einen Schwerpunkt bildete dabei die Untersuchung der LEWIS-BASE-katalysierten Disproportionierung unterschiedlich chlorierter Disilane mit elektronenreichen Alkenen, wie Tetrakis-(dimethylamino)-ethylen (TDAE) oder N,N,N’,N’-Tetramethyl-1,4-phenylendiamin (TPDA). Die Alkene sollten auf mögliche Elektronenübertragungsreaktionen, aber auch Chelatbildung mit den eingesetzten Disilanen bzw. intermediär gebildeten Silylenen getestet werden. Ein weiterer Schwerpunkt lag bei der Synthese und Charakterisierung neuer hetero- und homocyclischer Oligosilane. Die erhaltenen Cyclooligosilane wurden auf ihre Donorwirkung gegenüber elektronendefizienten π-Alkenen und eine damit verbundene Charge-Transfer-Komplexbildung untersucht. In die Auswertung wurden auch ab-initio-Berechnungen einbezogen, die mit den experimentellen Ergebnissen (u.a. NMR, IR, Röntgeneinkristallstrukturanalyse) vergleichend diskutiert wurden.