In den letzten Jahren haben sich die Anwendungsoptionen natürlicher und synthetischer Porphyrinsysteme stark erweitert, was sich auch in der permanent steigenden Anzahl von Publikationen in der Fachliteratur widerspiegelt. Die Inhalte der Veröffentlichungen reichen dabei von grundlegenden Fragestellungen zur Synthese und Charakterisierung über die Untersuchung typischer Eigenschaften bis hin zur Testung der Systeme in der Photovoltaik, als optische Speicher-medien, molekulare Schalter und Drähte oder in der Medizin. Eine interessante Eigenschaft von Porphyrinen besteht darin, nach Lichtanregung Energie an die Umgebung zu übertragen. Diese Beobachtung ist bereits seit etwa 100 Jahren bekannt und hat zur Entwicklung der photodynamischen Therapie (PDT) und Diagnostik (PDD) geführt, die vorteilhaft zur Erkennung und Bekämpfung von Krebs eingesetzt werden kann. Um die Beziehungen zwischen Struktur und Wirkung aufzuklären, ist es notwendig, Porphyrine innerhalb des Grundgerüsts zu modifizieren sowie das Substitutionsmuster gezielt zu variieren. Die logischen Schlüsse, die aus den Untersuchungen der synthetisierten Substanzreihen gezogen werden, können beim Aufbau einer idealen Wirkstruktur helfen, wodurch dessen Wirksamkeit optimiert und die auftretenden Nebenwirkungen minimiert werden können. Im Rahmen dieser Arbeit sollen als potentielle PDT-Agenzien neue meso- und beta-substituierte Thiaporphyrine synthetisiert und charakterisiert werden. Neben dem Einsatz spektroskopischer Methoden in Lösung, wie UV/Vis-, NMR- und Fluoreszenzspektroskopie, sollen vor allem Kristalle für die Röntgeneinkristallstrukturanalyse gezüchtet werden, um charakteristische Bindungsmotive und strukturelle Besonderheiten zu identifizieren. Desweiteren soll durch die Einführung kationischer, funktioneller Gruppen die Löslichkeit der Thiaporphyrine in polaren Lösungsmitteln erhöht werden.

Poröse Materialien sind für eine Vielzahl industrieller, aber auch alltäglicher Prozesse essentiell und daraus nicht mehr wegzudenken. So erstrecken sich die Anwendungen von einfachen, auf Aktivkohle basierenden Wasserfiltern in Heimaquarien, über Zeolithe in selbstkühlenden Bierfässern bis hin zu weltweit genutzten, großtechnischen Verfahren in der Abtrennung von Schadstoffen aus Luft und Wasser. Außerdem werden poröse Materialien als Katalysatoren in Prozessen eingesetzt, die eine Grundlage der Konsumgüterproduktion der heutigen Gesellschaft bilden. In den letzten Jahrzehnten wurde eine Vielzahl neuer hochporöser Verbindungen entwickelt, wobei besonders in den letzten Jahren polymerbasierten Adsorbentien ein gesteigertes Interesse galt. Diese organischen Gerüstverbindungen zeichnen sich durch eine große strukturelle und funktionelle Vielfalt aus, die auf den modularen Aufbau aus multifunktionellen organischen Einheiten (Linker) und verknüpfenden Gruppen (Knoten, Konnektoren) zurückzuführen ist. Neben ihrer homogenen Oberflächenchemie weisen diese Materialien signifikant hydrophobere Oberflächen als herkömmliche Adsorbentien, wie z.B. Aktivkohlen, auf. Dadurch sind die organischen Gerüstverbindungen bestens geeignet, um unpolare organische Komponenten aufgrund attraktiver Wechselwirkung adsorptiv zu binden. Entsprechende Verfahren gewinnen immer stärker an Bedeutung, um z.B. hochtoxische flüchtige organische Verbindungen (VOCs – volatile organic compounds) aus Luft und Wasser durch entsprechende Filter zu entfernen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Ansätze verfolgt, um neuartige organische Gerüstverbindungen herzustellen, die sich durch o.g. unpolare innere Oberflächen auszeichnen (Abbildung 1). Dazu fanden verschiedene synthetische Konzepte Anwendung. Zum einen wurden multifunktionelle organische Linker durch Lithiierung zu starken Nukleophilen umgesetzt, die anschließend über alkylsubstituierte Konnektoren auf Silanbasis vernetzt werden konnten. Durch diese aliphatische Funktionalisierung der Materialien EOF-10 bis -14 (EOF – element organic framework) konnte die Oberflächenpolarität gegenüber vergleichbaren Gerüstverbindungen signifikant gesenkt werden, was wiederum die Wechselwirkungen mit unpolaren Substanzen erhöht. Weiterhin stand die Herstellung und Charakterisierung poröser Polymere über die palladiumkatalysierte Suzuki-Kupplung im Vordergrund, bei der die Linker über die C-C-Verknüpfungsreaktion direkt gebildet und dadurch polare Gruppen an den Konnektoren vermieden werden konnten (EOF-6 bis -9). Diese Verbindungen erreichen spezifische Oberflächen von bis zu 1380 m2g-1 und adsorbieren signifikant größere Mengen des unpolaren Gases n-Butan als weniger polare Aktivkohlen mit vergleichbar großer Oberfläche. Ein dritter Ansatz zur Synthese unpolarer Adsorbentien war die Herstellung von Polyphenylenen über die Cyclotrimerisierung multifunktioneller Acetylverbindungen. Die resultierenden porösen, stark unpolaren Polymere OFC-1 bis -4 (OFC – organic framework by cyclotrimerization), die jeweils über zwei verschiedene Syntheserouten in Lösung bzw. in einer lösungsmittelfreien Schmelze hergestellt werden konnten, wurden durch postsynthetische Funktionalisierung anwendungsspezifisch modifiziert. Außerdem wurden verschiedene Verarbeitungsmöglichkeiten zu monolithischen und textilen Adsorbern über die Syntheseroute aus der Schmelze untersucht. Neben der Herstellung hydrophober Adsorbentien ermöglicht der modulare Aufbau organischer Gerüstverbindungen die Immobilisierung katalytisch aktiver molekularer Spezies. Über die zwei erstgenannten Syntheserouten konnten poröse Netzwerke hergestellt werden, die großes Potential für Anwendungen als heterogene Katalysatoren in bisher überwiegend homogen geführten Prozessen aufweisen (Abbildung 1). So wurde ein hochvernetztes, poröses zinnorganisches Polymer (EOF-3) synthetisiert, dessen katalytische Aktivität in der Cyanosilylierung von Benzaldehyd gezeigt wurde. Dieses Material ist besonders für Ver- und Umesterungsreaktionen in der Oleochemie von Interesse, da derartige Reaktionen überwiegend homogen katalysiert werden. Des Weiteren ermöglichte die Suzuki-Kupplung als Verknüpfungsreaktion den Einbau eines bifunktionellen Imidazoliumlinkers in offenporige, hochvernetzte Polymere (EOF-15/-16). Durch Deprotonierung der Imidazoliumeinheiten wurden N-heterocyclische Carbene (NHC) erzeugt, deren katalytische Aktivität in der Organokatalyse in Kombination mit einer heterogenen Reaktionsführung gezeigt werden konnte. Neben der Entwicklung neuartiger organischer Gerüstverbindungen für Anwendungen als hydrophobe Adsorber und heterogene Katalysatoren behandelte die Dissertation die Verarbeitung poröser Materialien (Abbildung 1). Diese fallen in den meisten Fällen in Form feiner Pulver an, was in Abhängigkeit des Anwendungsgebietes zu Problemen führen kann. Speziell für Filteranwendungen ist eine gute Zugänglichkeit des Porensystems durch eine feine Verteilung der adsorptiven Komponente notwendig. Dafür eignen sich Kompositmaterialien aus porösen Pulvern und Fasern. Eine Alternative stellt die Herstellung von Fasermaterialien mit intrinsischer Porosität dar. Beide Ansätze wurden im Rahmen dieser Arbeit aufgegriffen. Über die Methode des elektrostatischen Spinnens können Vliese extrem feiner Fasern nahezu aller Polymere hergestellt werden. Auch die Produktion von Kompositfasern ist bekannt. Bislang gibt es allerdings sehr wenige Arbeiten zur Herstellung poröser Fasermaterialien über diese Methode. Die Verarbeitung metallorganischer Gerüstverbindungen als Modellsubstanzen über Elektrospinnen zu porösen Kompositfasern wurde untersucht. Es konnten Beladungen von bis zu 80 Gew.-% der porösen Materialien in den Kompositfasern erreicht werden, ohne dass die Porensysteme durch den polymeren Binder blockiert wurden. Weiterhin erfolgte die Verarbeitung von Polycarbosilan, einem polymeren Precursor für keramische Materialien, über Elektrospinnen zu feinen Fasern. Diese wurden durch Pyrolyse zu SiC-Fasern und durch anschließende extraktive Entfernung der Siliziumatome durch Chlorierung zu porösen CDC-Fasern (CDC – carbide-derived carbon) mit außerordentlichen Adsorptionseigenschaften umgesetzt.

Poröse Materialien zeichnen sich durch hohe spezifische Oberflächen bzw. hohe spezifische Porenvolumina aus. Dies macht sie zu geeigneten Kandidaten für die Gasspeicherung, Stofftrennung und die heterogene Katalyse, die Hauptanwendungsgebiete poröser Materialien. Um poröse Materialien hinsichtlich der eben genannten Anwendungsfelder zu optimieren ist es von entscheidender Bedeutung, sie hinsichtlich ihrer jeweiligen Anwendung maßzuschneidern. Eine Klasse hochporöser Materialien, bei der das Maßschneidern der Poren möglich ist, ist die der metallorganischen Gerüstverbindungen [engl. Metal-Organic Frameworks (MOFs)]. MOFs zeichnen sich durch einen modularen Aufbau aus, der ein systematisches Design der Poren erlaubt. Auch poröse Polymere können durch Funktionalisierung der entsprechenden Monomere hinsichtlich verschiedener Anwendungsgebiete gezielt synthetisiert werden. Ein Ziel dieser Arbeit war die Integration des Metalls Rhodium als knotenbildendes Element in ein MOF. Dazu wurde Rhodium(II)-acetat, welches bereits das Schaufelradmotiv enthält, mit den trifunktionellen Carbonsäuren Trimesinsäure und 4,4´,4´´ Benzen-1,3,5-triyl-tribenzoesäure zu den MOFs DUT 82 und DUT 83 umgesetzt. Das Schaufelradmotiv als sekundäre Baueinheit in DUT-82 konnte durch röntgenabsorptionspektroskopische Untersuchungen nachgewiesen werden. Nach überkritischem Trocknen gefolgt von thermischer Aktivierung zeigten DUT-82 und DUT-83 eine permanente Porosität mit spezifischen BET-Oberflächen von bis zu 1150 m2g-1. Weiterhin konnte für DUT-82 eine sehr hohe Affinität zu Kohlenmonoxid, die selten für MOFs beobachtet wird, nachgewiesen werden. Berechnungen der Adsorptionsenthalpie ergaben bei niedrigen Beladungen einen Wert von ungefähr 50 kJmol-1, was für eine Chemisorption von Kohlenmonoxid an DUT-82 bei niedrigen Drücken spricht. Weiterhin zeigten katalytische Untersuchungen, dass sich DUT-82 als heterogener Hydrierkatalysator eignet. In einer Modellreaktion konnte Styrol erfolgreich zu Ethylbenzen umgesetzt werden. In einem weiteren Teil der Arbeit sollte ein MOF synthetisiert werden, das Stabilität und eine hohe Kapazität für Schwefelwasserstoff miteinander vereint. Eine Klasse bereits bekannter MOFs mit hoher Stabilität basiert auf dem [Zr6O4(OH)4]12+-Cluster. Durch Kombination des [Zr6O4(OH)4]12+-Clusters mit Bipyridindicarboxylat konnte das MOF UiO-67(bipy) hergestellt werden, welches isostrukturell zu UiO 67 ist. Untersuchungen an UiO 67(bipy) zeigten, dass das unbeladene Netzwerk keinen Schwefelwasserstoff adsorbiert. Die Bipyridinfunktionalität wurde anschließend für die permanente Integration weiterer Metallzentren (Metall = Cu, Ni, Co) genutzt. Dazu wurde UiO-67(bipy) zu wässrigen oder ethanolischen Metallsalzlösungen gegeben und es kam zur Adsorption der Metallsalze aus der Flüssigphase. Durch die postsynthetische Integration der Metallsalze konnte die Adsorptionskapazität der resultierenden Metallsalz@UiO-67(bipy)-Materialien für Schwefelwasserstoff bis auf 8 Gew.% gesteigert werden. Neben Adsorption und Katalyse ist die Sensorik ein weiteres Anwendungsfeld von MOFs. Eine organische Einheit, die sich als sensitive Komponente für eine Integration in ein MOF anbietet, ist Dihydro-1,2,4,5-tetrazin, das zu 1,2,4,5-Tetrazin oxidiert werden kann. Das bemerkenswerte Merkmal dieser Reaktion ist der radikale Farbwechsel von Gelb nach Pink. Nach erfolgreicher Synthese der Dihydro-1,2,4,5-tetrazindicarbonsäure sollte sie durch Kombination mit dem [Zr6O4(OH)4]12+-Cluster zu einem UiO-66 analogen Netzwerk in ein stabiles Netzwerk integriert werden. Da die direkte Syntheseroute eines UiO-66 analogen Netzwerks nicht zum Erfolg führte, wurde die mildere Variante des Linkeraustauschs gewählt. Über diese Route konnte das Dihydro-1,2,4,5-tetrazindicarboxylat erfolgreich partiell in das UiO-66 Netzwerk integriert werden. Anschließende Untersuchungen zeigten, dass die in das Netzwerk eingebaute Dihydro-1,2,4,5-tetrazin-Einheit sowohl in der Flüssig- als auch in der Gasphase erfolgreich oxidiert werden kann, was durch UV/vis-Messungen belegt werden konnte. Eine weitere Klasse poröser Materialien, die hervorragende chemische Stabilität aufweist, ist die der konjugierten Triazin-Netzwerke. Sie entstehen durch Cyclotrimerisierung multifunktioneller Nitrile. Durch geschickte Wahl der Monomere ist eine Funktionalisierung der Triazin-Netzwerke möglich. Um ein chirales Triazin-Netzwerk zu synthetisieren, wurde Spirobiindan erfolgreich mit Nitrilgruppen funktionalisiert. Die Umsetzung des Monomers in einer Zinkchlorid-Schmelze führte zu porösen Polymeren mit spezifischen BET-Oberflächen von bis zu 1180 m2g 1. Dabei konnte die Porengrößenverteilung des Triazin-Netzwerkes durch Variation des Verhältnisses von Zinkchlorid zu Monomer gezielt eingestellt werden. Die Polymersynthese erfolgte mit einer racemischen Mischung des Monomers und führte somit zu einem achiralen Polymer. Erste Untersuchungen zeigten, dass eine Trennung des racemisch vorliegenden Monomers mittels Hochleistungsflüssigchromatographie möglich ist. Die Imidazoliumgruppe ist eine weitere Baueinheit, die in Triazin-Polymere integriert werden sollte, da sie leicht in ein N-Heterocyclisches Carben überführt werden kann. N-Neterocyclische Carbene können direkt als Katalysator bzw. als Ligand für eine Vielzahl von Metallen zur Generierung eines Katalysators genutzt werden. Über mehrstufige Synthesen konnten zwei nitrilfunktionalisierte Imidazoliumsalze hergestellt werden. Die anschließende Cyclotrimerisierung führte zu porösen Polymeren mit spezifischen BET-Oberflächen von bis zu 680 m2g-1. Erste katalytische Untersuchungen zum Einsatz dieser Triazin-Netzwerke in Umpolungsreaktionen von Zimtaldehyd mit 2,2,2 Trifluoracetophenon zeigten jedoch lediglich einen geringen Umsatz zum gewünschten Produkt.