Four molecular germanates based on salicyl alcoholates, bis(dimethylammonium) tris[2-(oxidomethyl)phenolate(2-)]germanate (1), bis(dimethylammonium) tris[4-methyl-2-(oxidomethyl)phenolate(2-)]germanate (2), bis(dimethylammonium) tris[4-bromo-2-(oxidomethyl)phenolate(2-)]germanate (3) and dimethylammonium bis[2-tert-butyl-4-methyl-6-(oxidomethyl)phenolate(2-)][2-tert-butyl-4-methyl-6-(hydroxymethyl)phenolate(1-)]germanate (4), were synthesized and characterized including single crystal X-ray diffraction analysis. In the solid state, compounds 1 and 2 exhibit one-dimensional hydrogen bonded networks, whereas compound 4 forms separate ion pairs, which are connected by hydrogen bonds between the dimethylammonium and the germanate moieties. The potential of these compounds for thermally induced twin polymerization (TP) was studied. Germanate 1 was converted by TP to give a hybrid material (HM-1) composed of phenolic resin and germanium dioxide. Subsequent reduction with hydrogen provided a microporous composite containing crystalline germanium and carbon (Ge@C – C-1, germanium content ∼20%). Studies on C-1 as an anode material for Li-ion batteries revealed reversible capacities of ∼370 mA h gGe@C−1 at a current density up to 1384 mA g−1 without apparent fading for 500 cycles. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Das Hauptthema dieser Dissertation ist die Untersuchung der Selbstorganisation organischer Moleküle an der Flüssig-Fest-Grenzfläche (LSI). Besondere Betonung liegt auf der Kontrolle der Selbstassemblierung durch geeignete Parameter: die Substrattemperatur während der Abscheidung, die Konzentration der gelösten Moleküle, und die chemische Natur der gelösten Stoffe und Lösungsmittel. Die Untersuchungen wurden unter Verwendung der Rastertunnelmikroskopie (STM) durchgeführt. Der erste Schwerpunkt dieser Arbeit ist die systematische Untersuchung der Auswirkung erhöhter Substrattemperatur während der Abscheidung aus der Lösung auf die Selbstorganisation komplexer molekularer Architekturen an der LSI. Diese Untersuchungen wurden mit dem planaren Molekül Trimesinsäure (TMA), sowie dem nicht-planaren Molekül Benzen-1,3,5-triphosphonsäure (BTP) durchgeführt. Es wird gezeigt, dass der Polymorphismus der Adsorbatstrukturen von TMA und BTP durch die Substrattemperatur während der Abscheidung der Moleküle aus der Lösung für verschiedene Lösungsmitteln unterschiedlicher Polarität, wie Phenyloctan, Octansäure und Undecanol, kontrolliert werden kann. Durch die Erhöhung der Temperatur des vorgeheiztem Graphitsubstrates kann die spezifische 2D supramolekulare Struktur and die entsprechende Packungsdichte der Moleküle in der Adsorbatschicht für jedes der untersuchten Lösungsmittel präzise eingestellt werden. Weiterhin wird der Einfluss der Konzentration auf die resultierende Anordnung der TMA Moleküle an der LSI durch ein weiteres Experiment abgeschätzt, bei welchem Rühren (von 0 h bis 40 h) der Lösungen mit verschiedenen Lösungsmitteln eingesetzt wurde. Diese Ergebnisse zeigen, dass die verschiedenen Präparationsmethoden (Erhöhung der Abscheidetemperatur oder Rühren) zu derselben Tendenz der Änderung der geordneten Strukturen sowie der Packungsdichte führt, weswegen man schlussfolgern kann, dass die Erhöhung der Konzentration an der LSI bei erhöhter Abscheidetemperatur ebenso der Hauptgrund für die beobachteten Änderungen ist. Der zweite Schwerpunkt dieser Dissertation ist die Untersuchung von chemischen Reaktionen der selbstassemblierenden Moleküle. Eine Veresterungsreaktion von TMA mit Undecanol wurde gefunden. Weiterhin wurde, als ein erster Schritt zur Untersuchung der Zwillingspolymerisation, die Oligomerisation des Zwillingsmonomers 2,2’-spirobi [4H-1,3,2-benzo-dioxasiline] (SBS) mit STM an der Grenzfläche zwischen der SBS-Undecanol-Lösung und einer Graphitoberfläche untersucht. Erstens wurde durch Ultraschallbehandlung der SBS Lösung in Undecanol für verschieden lange Zeiten die Oligomerisation der SBS Monomere ohne einen Katalysator an der LSI beobachtet. Zweitens konnte die Oligomerisation auch durch Erhöhung der Substrattemperatur während der Abscheidung der Moleküle aus der Lösung initiiert werden. Durch die schrittweise Erhöhung der Temperatur des vorgeheizten Substrates konnten mehrere, verschiedene, periodische Anordnungen von Phenol‒Dimeren, ‒Trimeren, und –Pentameren u.s.w. gefunden werden. Weiterhin wird die Auswirkung der Abscheidetemperatur auf die Selbstorganisation an der LSI nur der Lösungsmittelmoleküle aus dem reinen Lösungsmittel beschrieben. Dies ist wichtig, da die Undecanol‒Moleküle stets mit den gelösten, in dieser Arbeit verwendeten Stoffen (TMA, BTP, SBS) koadsorbieren und lineare Muster bilden. / The main aim of this thesis is to study the self-assembly of organic molecules at the liquid-solid interface (LSI). Special emphasis is given to controlling the process of self-assembly via suitable parameters such as: the substrate temperature during the initial deposition, the concentration of dissolved molecules, or the chemical nature of solutes and solvents. The investigations are performed using scanning tunneling microscopy (STM). The first focus of this work is the systematic investigation of the effect of the substrate temperature during the deposition out of the solution on the self-assembly of complex molecular architectures at the LSI. These investigations have been done with the planar molecule trimesic acid (TMA), and the non-planar molecule benzene 1,3,5-triphosphonic acid (BTP). We show that the polymorphism of the adsorbate structures of TMA (also with BTP) can be controlled by the substrate temperature during the deposition of the molecules out of the solution for various solvents of different polarity such as phenyloctane, octanoic acid, and undecanol. By increasing the temperature of the pre-heated graphite substrate, the specific 2D supramolecular structure and the corresponding packing density in the adsorbate layer can be precisely tuned for each kind of the solvents studied. Furthermore, the influence of the concentration on the resulting self-assembly of TMA molecules at the LSI is estimated by another experiment using stirring (from 0 h to 40 h) of the solutions of different kinds of solvents. These results demonstrate that choosing different preparation methods (increasing deposition temperatures or stirring) lead to the same tendency in the change of the self-assembled structures as well as the tuning of the packing density from which it can also be concluded that the increase of the concentration at increased deposition temperatures is also the main reason for the observed changes. The second focus of this work is the investigation of chemical reactions of self-assembling molecules. The esterification of TMA with undecanol was observed. Moreover as a first step to study twin polymerization, the oligomerization of the twin monomer 2,2’-spirobi [4H-1,3,2-benzo-dioxasiline] (SBS) was investigated by STM at the SBS-undecanol solution/graphite interface. Firstly, by ultrasonicating the solution of SBS in undecanol for different times the oligomerization of SBS monomer without any catalyst has been observed at the LSI. Secondly, the oligomerization of SBS monomer can also be initiated by the substrate temperature during the deposition of the molecules out of the solution. By stepwise increasing the temperature of the pre-heated substrate, various periodic assemblies of phenolic dimer, trimer, pentamer resin, and so on were observed. Furthermore, the effect of deposition temperature on the self-assembly of solely solvent molecules from the pure liquid at the LSI is described, which is important because the undecanol solvent molecules are always co-adsorbed with the solutes used in this work (TMA, BTP, SBS) to form linear patterns.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Herstellung von nanostrukturierten Kohlenstoffen. Die Synthese erfolgt dabei durch die Zwillingspolymerisation der siliziumhaltigen Zwillingsmonomere 2,2’Spirobi[4H-1,3,2-benzodioxasilin] sowie Tetrafurfuryloxysilan. Die entstehenden Nanokomposite werden anschließend carbonisiert und das SiO2-Netzwerk herausgelöst. Die Zwillingsmonomere wurden dabei zunächst templatfrei umgesetzt, um Einflüsse verschiedener Reaktionsparameter auf die Eigenschaften der erhaltenen Kohlenstoffe zu evaluieren. Des Weiteren wurde studiert, wie sich die Zugabe von Hart-Templaten auf das Polymerisationsverhalten der Zwillingsmonomere, sowie die Porosität und Morphologie der daraus resultierenden Kohlenstoffe auswirkt. Für die Charakterisierung der nanostrukturierten Kohlenstoffe wurde vorwiegend auf Elektronenmikroskopie und Stickstoffsorptions-Experimente zurückgegriffen. Mit Hilfe der Zwillingspolymerisation an Hart-Templaten, wie SiO2-Partikeln, Glasfasern und ORMOCER®en konnte die Morphologie, Geometrie, Größe und Porentextur der Kohlenstoffe eingestellt und ein modulares Synthesekonzept für poröse, nanostrukturierte Kohlenstoffe entwickelt werden. Ferner wurden ausgewählte Kohlenstoffe auf Anwendung als Wasserstoffspeicher und Elektrodenmaterial in Lithium-Schwefel-Zellen getestet. In diesem Zusammenhang wurden die Thermogravimetrie, die Differenzkalorimetrie und Stickstoff-Sorptionsmessungen eingesetzt, um die Batterieeigenschaften in Zukunft ohne das Durchführen aufwendiger Zelltests zu prognostizieren.

In this thesis, several development steps for the incremental method are presented. At first, the extension of the incremental scheme to other quantities than the energy is advanced in terms of molecular dipole moments. In this context, a revised error correction as well as the template localization for the treatment of aromatic systems are introduced. As a second enhancement, a new implementation of the template localization ensures a higher stability of this algorithm step and, thus, of the incremental scheme. Finally, pair natural orbitals (PNOs) are utilized in the incremental method with the aim of an increased efficiency. The PNO approach is re-assessed in context of the incremental expansion leading to both small incremental and PNO local errors for reaction, intermolecular interaction and cluster binding energies. The higher efficiency due to the twofold reduction of the computational efforts by the PNO and the incremental approaches is demonstrated for molecular clusters. Additionally, the complete basis set (CBS) limit is targetted by using the efficient MP2-based focal-point approach to the incremental scheme (with and without PNOs). Finally, based on these improvements of the performance, the PNO-based incremental scheme is applied to support a computational study regarding the modelling of the reaction mechanism for the base-catalyzed twin polymerization.

Das Hauptthema dieser Dissertation ist die Untersuchung der Selbstorganisation organischer Moleküle an der Flüssig-Fest-Grenzfläche (LSI). Besondere Betonung liegt auf der Kontrolle der Selbstassemblierung durch geeignete Parameter: die Substrattemperatur während der Abscheidung, die Konzentration der gelösten Moleküle, und die chemische Natur der gelösten Stoffe und Lösungsmittel. Die Untersuchungen wurden unter Verwendung der Rastertunnelmikroskopie (STM) durchgeführt. Der erste Schwerpunkt dieser Arbeit ist die systematische Untersuchung der Auswirkung erhöhter Substrattemperatur während der Abscheidung aus der Lösung auf die Selbstorganisation komplexer molekularer Architekturen an der LSI. Diese Untersuchungen wurden mit dem planaren Molekül Trimesinsäure (TMA), sowie dem nicht-planaren Molekül Benzen-1,3,5-triphosphonsäure (BTP) durchgeführt. Es wird gezeigt, dass der Polymorphismus der Adsorbatstrukturen von TMA und BTP durch die Substrattemperatur während der Abscheidung der Moleküle aus der Lösung für verschiedene Lösungsmitteln unterschiedlicher Polarität, wie Phenyloctan, Octansäure und Undecanol, kontrolliert werden kann. Durch die Erhöhung der Temperatur des vorgeheiztem Graphitsubstrates kann die spezifische 2D supramolekulare Struktur and die entsprechende Packungsdichte der Moleküle in der Adsorbatschicht für jedes der untersuchten Lösungsmittel präzise eingestellt werden. Weiterhin wird der Einfluss der Konzentration auf die resultierende Anordnung der TMA Moleküle an der LSI durch ein weiteres Experiment abgeschätzt, bei welchem Rühren (von 0 h bis 40 h) der Lösungen mit verschiedenen Lösungsmitteln eingesetzt wurde. Diese Ergebnisse zeigen, dass die verschiedenen Präparationsmethoden (Erhöhung der Abscheidetemperatur oder Rühren) zu derselben Tendenz der Änderung der geordneten Strukturen sowie der Packungsdichte führt, weswegen man schlussfolgern kann, dass die Erhöhung der Konzentration an der LSI bei erhöhter Abscheidetemperatur ebenso der Hauptgrund für die beobachteten Änderungen ist. Der zweite Schwerpunkt dieser Dissertation ist die Untersuchung von chemischen Reaktionen der selbstassemblierenden Moleküle. Eine Veresterungsreaktion von TMA mit Undecanol wurde gefunden. Weiterhin wurde, als ein erster Schritt zur Untersuchung der Zwillingspolymerisation, die Oligomerisation des Zwillingsmonomers 2,2’-spirobi [4H-1,3,2-benzo-dioxasiline] (SBS) mit STM an der Grenzfläche zwischen der SBS-Undecanol-Lösung und einer Graphitoberfläche untersucht. Erstens wurde durch Ultraschallbehandlung der SBS Lösung in Undecanol für verschieden lange Zeiten die Oligomerisation der SBS Monomere ohne einen Katalysator an der LSI beobachtet. Zweitens konnte die Oligomerisation auch durch Erhöhung der Substrattemperatur während der Abscheidung der Moleküle aus der Lösung initiiert werden. Durch die schrittweise Erhöhung der Temperatur des vorgeheizten Substrates konnten mehrere, verschiedene, periodische Anordnungen von Phenol‒Dimeren, ‒Trimeren, und –Pentameren u.s.w. gefunden werden. Weiterhin wird die Auswirkung der Abscheidetemperatur auf die Selbstorganisation an der LSI nur der Lösungsmittelmoleküle aus dem reinen Lösungsmittel beschrieben. Dies ist wichtig, da die Undecanol‒Moleküle stets mit den gelösten, in dieser Arbeit verwendeten Stoffen (TMA, BTP, SBS) koadsorbieren und lineare Muster bilden.:Chapter 1: Introduction Chapter 2: Basic principle 2.1 Principles of scanning tunneling microscopy (STM) 2.1.1 General working principle 2.1.2 Tunneling effect 2.1.3 Theory of STM 2.1.4 Contrast mechanism of molecular adsorbates 2.1.5 Modes of STM operation 2.2 STM at the liquid-solid interface (LSI) 2.3 Thermodynamics and kinetics 2.3.1 Equilibrium of the adsorption/desorption and initial agglomeration at the LSI 2.3.2 Kinetic and thermodynamic control over 2D molecular self-assembly 2.4 Experimental condition 2.4.1 Role of solvent 2.4.2 Role of concentration 2.4.3 Role of temperature References Chapter 3: Experimental section 3.1 Solutes 3.1.1 Trimesic acid (TMA) (1,3,5?C6H3(COOH)3) 3.1.2 Benzene 1.3.5-Triphosphonic acid (BTP) (1,3,5?C6H3(PO3H2)3) 3.1.3 Twin monomer 2,2’-spirobi[4H-1,3,2-benzo-dioxasiline] (SBS) 3.2 Solvents 3.3 Substrate: Highly oriented pyrolytic graphite (HOPG (0001)) 3.4 Preparation of the STM tips 3.5 Experimental methods for sample preparation 3.5.1 Preparation of the solution 3.5.2 Heating of the substrate 3.5.3 Ultrasonication 3.5.4 Stirring 3.6 Computational details References Chapter 4: Deposition temperature? and solvent-dependent 2D supramolecular assemblies of trimesic acid at the liquid-graphite interface revealed by STM Results and discussion 4.1 Hydrogen bonding motifs of trimesic acid molecules 4.2 TMA deposited from solution in octanoic acid 4.3 TMA deposited from solution in phenyloctane 4.4 TMA deposited from solution in undecanol 4.6 Discussion of the solute–solvent interactions 4.5 Effect of the deposition substrate temperature on the formation of ester at the LSI of TMA in undecanol Conclusion References Chapter 5: Role of concentration on the self-assembly of TMA at the LSI influenced by stirring time Results and discussion 5.1 TMA in octanoic acid 5.2 TMA in phenyloctane 5.3 TMA in undecanol Conclusion References Chapter 6: Role of deposition temperature on the self-assembly of the non-planar molecule benzene- 1,3,5- triphosphonic acid (BTP) at the LSI Results and discussion 6.1 BTP in undecanol at room temperature 6.2 BTP in undecanol at high substrate temperature during deposition Conclusion References Chapter 7: Role of deposition temperature on the self-assembly of pure undecanol solvent at the LSI Results and discussion 7.1 Adsorption geometry of undecanol on HOPG 7.2 Herringbone structures of undecanol 7.3 Parallel structure of undecanol at high substrate temperature during deposition Conclusion References Chapter 8: A first step to microscopically study twinpolymerization: self-assembly of twin monomer 2,2’-Spirobi[4H-1,3,2-benzo-dioxasiline] (SBS) at the LSI influenced by ultrasonication and deposition substrate temperature 8.1 Coadsorption of SBS and undecanol without ultrasonication and at room temperature 8.2 SBS deposited from solution in undecanol in dependence on the duration of ultrasonication 8.3 SBS deposited from solution in undecanol at varied deposition temperature of the substrate 8.4 Discussion and open questions Appendix References CHAPTER 9: SUMMARY AND OUTLOOK ERKLÄRUNG CURRICULUM VITAE ACKNOWLEDGEMENT / The main aim of this thesis is to study the self-assembly of organic molecules at the liquid-solid interface (LSI). Special emphasis is given to controlling the process of self-assembly via suitable parameters such as: the substrate temperature during the initial deposition, the concentration of dissolved molecules, or the chemical nature of solutes and solvents. The investigations are performed using scanning tunneling microscopy (STM). The first focus of this work is the systematic investigation of the effect of the substrate temperature during the deposition out of the solution on the self-assembly of complex molecular architectures at the LSI. These investigations have been done with the planar molecule trimesic acid (TMA), and the non-planar molecule benzene 1,3,5-triphosphonic acid (BTP). We show that the polymorphism of the adsorbate structures of TMA (also with BTP) can be controlled by the substrate temperature during the deposition of the molecules out of the solution for various solvents of different polarity such as phenyloctane, octanoic acid, and undecanol. By increasing the temperature of the pre-heated graphite substrate, the specific 2D supramolecular structure and the corresponding packing density in the adsorbate layer can be precisely tuned for each kind of the solvents studied. Furthermore, the influence of the concentration on the resulting self-assembly of TMA molecules at the LSI is estimated by another experiment using stirring (from 0 h to 40 h) of the solutions of different kinds of solvents. These results demonstrate that choosing different preparation methods (increasing deposition temperatures or stirring) lead to the same tendency in the change of the self-assembled structures as well as the tuning of the packing density from which it can also be concluded that the increase of the concentration at increased deposition temperatures is also the main reason for the observed changes. The second focus of this work is the investigation of chemical reactions of self-assembling molecules. The esterification of TMA with undecanol was observed. Moreover as a first step to study twin polymerization, the oligomerization of the twin monomer 2,2’-spirobi [4H-1,3,2-benzo-dioxasiline] (SBS) was investigated by STM at the SBS-undecanol solution/graphite interface. Firstly, by ultrasonicating the solution of SBS in undecanol for different times the oligomerization of SBS monomer without any catalyst has been observed at the LSI. Secondly, the oligomerization of SBS monomer can also be initiated by the substrate temperature during the deposition of the molecules out of the solution. By stepwise increasing the temperature of the pre-heated substrate, various periodic assemblies of phenolic dimer, trimer, pentamer resin, and so on were observed. Furthermore, the effect of deposition temperature on the self-assembly of solely solvent molecules from the pure liquid at the LSI is described, which is important because the undecanol solvent molecules are always co-adsorbed with the solutes used in this work (TMA, BTP, SBS) to form linear patterns.:Chapter 1: Introduction Chapter 2: Basic principle 2.1 Principles of scanning tunneling microscopy (STM) 2.1.1 General working principle 2.1.2 Tunneling effect 2.1.3 Theory of STM 2.1.4 Contrast mechanism of molecular adsorbates 2.1.5 Modes of STM operation 2.2 STM at the liquid-solid interface (LSI) 2.3 Thermodynamics and kinetics 2.3.1 Equilibrium of the adsorption/desorption and initial agglomeration at the LSI 2.3.2 Kinetic and thermodynamic control over 2D molecular self-assembly 2.4 Experimental condition 2.4.1 Role of solvent 2.4.2 Role of concentration 2.4.3 Role of temperature References Chapter 3: Experimental section 3.1 Solutes 3.1.1 Trimesic acid (TMA) (1,3,5?C6H3(COOH)3) 3.1.2 Benzene 1.3.5-Triphosphonic acid (BTP) (1,3,5?C6H3(PO3H2)3) 3.1.3 Twin monomer 2,2’-spirobi[4H-1,3,2-benzo-dioxasiline] (SBS) 3.2 Solvents 3.3 Substrate: Highly oriented pyrolytic graphite (HOPG (0001)) 3.4 Preparation of the STM tips 3.5 Experimental methods for sample preparation 3.5.1 Preparation of the solution 3.5.2 Heating of the substrate 3.5.3 Ultrasonication 3.5.4 Stirring 3.6 Computational details References Chapter 4: Deposition temperature? and solvent-dependent 2D supramolecular assemblies of trimesic acid at the liquid-graphite interface revealed by STM Results and discussion 4.1 Hydrogen bonding motifs of trimesic acid molecules 4.2 TMA deposited from solution in octanoic acid 4.3 TMA deposited from solution in phenyloctane 4.4 TMA deposited from solution in undecanol 4.6 Discussion of the solute–solvent interactions 4.5 Effect of the deposition substrate temperature on the formation of ester at the LSI of TMA in undecanol Conclusion References Chapter 5: Role of concentration on the self-assembly of TMA at the LSI influenced by stirring time Results and discussion 5.1 TMA in octanoic acid 5.2 TMA in phenyloctane 5.3 TMA in undecanol Conclusion References Chapter 6: Role of deposition temperature on the self-assembly of the non-planar molecule benzene- 1,3,5- triphosphonic acid (BTP) at the LSI Results and discussion 6.1 BTP in undecanol at room temperature 6.2 BTP in undecanol at high substrate temperature during deposition Conclusion References Chapter 7: Role of deposition temperature on the self-assembly of pure undecanol solvent at the LSI Results and discussion 7.1 Adsorption geometry of undecanol on HOPG 7.2 Herringbone structures of undecanol 7.3 Parallel structure of undecanol at high substrate temperature during deposition Conclusion References Chapter 8: A first step to microscopically study twinpolymerization: self-assembly of twin monomer 2,2’-Spirobi[4H-1,3,2-benzo-dioxasiline] (SBS) at the LSI influenced by ultrasonication and deposition substrate temperature 8.1 Coadsorption of SBS and undecanol without ultrasonication and at room temperature 8.2 SBS deposited from solution in undecanol in dependence on the duration of ultrasonication 8.3 SBS deposited from solution in undecanol at varied deposition temperature of the substrate 8.4 Discussion and open questions Appendix References CHAPTER 9: SUMMARY AND OUTLOOK ERKLÄRUNG CURRICULUM VITAE ACKNOWLEDGEMENT

Im Fokus dieser Arbeit standen zwei Ziele. Zum einem war es Forschungsgegenstand, dass Konzept der Zwillingspolymerisation auf germaniumhaltige, molekulare Vorstufen wie zum Beispiel Germylene, spirozyklische Germaniumverbindungen und molekulare Germanate zu erweitern und somit organisch-anorganische Komposite beziehungsweise Hybridmaterialien darzustellen. Dazu wurden neuartige Germaniumalkoxide auf der Basis von Benzylalkoholaten, Salicylalkoholaten sowie Benzylthiolaten synthetisiert, charakterisiert und auf ihre Fähigkeit Komposite beziehungsweise Hybridmaterialien über den Prozess der Zwillingspolymerisation zu erhalten studiert. Ein zweites Ziel dieser Arbeit war es, Beziehungen zwischen der Struktur und der Reaktivität dieser molekularen Vorstufen sowie deren Einfluss auf die Eigenschaften der erhaltenen Polymerisationsprodukte zu identifizieren und systematisch zu untersuchen. Hierfür wurden zum einen verschiedene Substituenten, welche unterschiedliche elektronische sowie sterische Eigenschaften aufweisen, an den aromatischen Einheiten der molekularen Vorstufen eingeführt. Die Effekte der Substituenten auf den Prozess der Zwillingspolymerisation und auf die Eigenschaften der Komposite beziehungsweise Hybridmaterialien wurden für die Verbindungsklasse der Germanium(II)salicylalkoholate, der molekularen Germanate sowie der spiro-zyklischen Siliziumsalicylalkoholate untersucht. Spirozyklische Siliziumsalicylalkoholate, wie zum Beispiel 4H,4’H-2,2‘-Spirobi[benzo[d][1,3,2]dioxasilin], wurden im Rahmen dieser Arbeit mit einbezogen, da sie aufgrund ihres nahezu idealen Zwillingspolymerisationsprozesses geeignete Modelverbindungen für Reaktivitätsstudien darstellen. Zudem wurde der Einfluss der Substituenten auf die Charakteristika der aus den Kompositen beziehungsweise Hybridmaterialien erhaltenen Folgeprodukte (poröse Kohlenstoffmaterialien und oxydische Materialien) studiert. Des Weiteren wurde eine Serie von spirozyklischen Germaniumthiolaten, welche isostrukturell zu 4H,4’H-2,2‘-Spirobi[benzo[d][1,3,2]dioxasilin] sind, synthetisiert, um systematisch den Einfluss der Chalkogenide, Sauerstoff und Schwefel, in benzylständiger sowie phenylständiger Position auf deren Reaktionsvermögen im Polymerisationsprozess zu untersuchen. Die experimentellen Ergebnisse zu den Struktur-Reaktivitätsbeziehungsstudien wurden, soweit es jeweils durchführbar war, mittels quantenchemische Rechnungen validiert und die daraus gezogenen Schlüsse in die Diskussion zur Interpretation der experimentellen Ergebnisse mit einbezogen.:Contents List of Abbreviations S. 11 1 Introduction S.14 2 Germanium alkoxides and germanium thiolates S. 18 2.1 Preamble S. 18 2.2 Germanium alkoxides S. 18 2.2.1 Germanium(II) alkoxides S. 20 2.2.2 Germanium(IV) alkoxides S. 23 2.2.3 Alkoxidogermanates S. 29 2.3 Germanium thiolates S. 31 2.3.1 Germanium(II) thiolates S. 33 2.3.2 Germanium(IV) thiolates S. 34 2.3.3 Thiolatogermanates and cationic germanium thiolato transition metal complexes S. 36 2.4 Germanium alkoxido thiolates S. 38 2.5 Concluding remarks S. 40 3 Individual Contributions S. 43 4 Microporous Carbon and Mesoporous Silica by Use of Twin Polymerization: An integrated Experimental and Theoretical Approach on Precursor Reactivity S. 46 4.1 Abstract S. 46 4.2 Introduction S.46 4.3 Results and Discussion S. 48 4.3.1 Synthesis and Characterization S. 48 4.3.2 Thermally induced twin polymerization of monosubstituted Precursors (para position) S.49 4.3.2.1 Studies on reactivity according to thermally induced twin polymerization S. 50 4.3.2.2 Characterization of the hybrid materials as obtained by thermally induced twin polymerization S. 51 4.3.2.3 Thermally induced twin polymerization of di-substituted precursors (ortho and para position) S. 52 4.3.2.4 Conclusions drawn for the thermally induced twin polymerization S. 54 4.3.3 Proton-assisted twin polymerization S. 54 4.3.3.1 Studies on the reactivity according to proton-assisted twin polymerization S.55 4.3.3.2 Characterization of the hybrid materials as obtained by proton-assisted twin polymerization S.56 4.3.3.3 Computational studies on proton-assisted twin polymerization S. 58 4.3.3.4 Conclusions drawn for the process of proton-assisted twin polymerization S. 60 4.3.4 Characterization of the porous materials S.61 4.4 Conclusions S.64 4.5 Experimental Section S. 65 4.5.1 General S.65 4.5.2 General procedure for the synthesis of phenolic resin-silica hybrid materials by thermally induced twin polymerization in melt - exemplified for compound 1 S. 66 4.5.3 General procedure for the synthesis of phenolic resin-silica hybrid materials by proton-assisted twin polymerization in solution - exemplified for compound 1 S. 66 4.5.4 General procedure for the synthesis of microporous carbon - exemplified for hybrid material HM-1T S. 66 4.5.5 General procedure for the synthesis of mesoporous silica - exemplified for hybrid material HM-1T S. 67 4.5.6 Single-Crystal X-ray Diffraction Analyses S. 67 4.5.7 Computational Details S. 67 4.6 Acknowledgments S. 68 4.7 Keywords S.68 4.8 Supporting Information Chapter 4 S. 69 5 Synthesis of germanium dioxide nanoparticles in benzyl alcohols – a comparison S. 82 5.1 Abstract S. 82 5.2 Introduction S. 82 5.3 Results and Discussion S.83 5.4 Conclusions S. 87 5.5 Experimental Section S. 87 5.5.1 General S. 87 5.5.2 Syntheses S. 88 5.5.3 Synthesis of GeO2 in ortho-methoxy benzyl alcohol – sample A S. 88 5.5.4 Synthesis of GeO2 in benzyl alcohol under inert conditions – sample B S. 89 5.5.5 Synthesis of GeO2 in benzyl alcohol under ambient conditions – sample C S. 89 5.6 Acknowledgments S. 89 5.7 Keywords S.89 5.8 Supporting Information Chapter 5 S. 90 6 From a Germylene to an “Inorganic Adamantane”: [{Ge₄(μ-O)₂(μ-OH)₄}{W(CO)₅}₄]∙4THF S. 93 6.1 Abstract S.93 6.2 Introduction S. 93 6.3 Results and Discussion S. 94 6.4 Conclusions S. 98 6.5 Experimental Section S. 99 6.5.1 General S.99 6.5.2 Synthesis of germanium(II) (2-methoxyphenyl)methoxide (9) S. 99 6.5.3 Synthesis of [{Ge4(μ-O)2(μ-OH)4}{W(CO)5}4]·4THF (10·4THF) S. 100 6.5.4 Single-Crystal X-ray Diffraction Analyses S. 100 6.5.4.1 Crystal Data for (9)2 S. 101 6.5.4.2 Crystal Data for 10·4THF S. 101 6.5.5 Computational Details S. 101 6.6 Acknowledgments S. 101 6.7 Keywords S.101 6.8 Supporting Information Chapter 6 S. 102 7 Synthesis, characterization and Twin Polymerization of a novel dioxagermine S. 110 7.1 Abstract S. 110 7.2 Introduction S.110 7.3 Results and Discussion S. 111 7.3.1 Single-crystal X-ray diffraction analysis S. 111 7.3.2 IR spectroscopy S. 112 7.3.3 Mass spectrum S. 114 7.3.4 DSC/TGA analysis S. 116 7.3.5 Polymerization S. 117 7.4 Conclusions S. 118 7.5 Materials and Methods S.118 7.5.1 General S. 118 7.5.2 Synthesis of 5-bromo-2-hydroxybenzyl alcohol S. 119 7.5.3 Synthesis of di-tert-butyl-di-ethoxy germane S.119 7.5.4 Synthesis of 6-bromo-2,2-di-tert-butyl-4H-1,3,2-benzo[d]dioxagermine (11) S. 120 7.5.5 Polymerization of compound 11 S. 120 7.5.6 X-ray diffraction analysis of compound 11 S.120 7.5.6.1 Crystal data for compound 11 S.120 7.5.7 Computational Details S.121 7.6 Acknowledgments S.121 7.7 Keywords S. 121 7.8 Supporting Information Chapter 7 S. 122 8 Intramolecular C-O Insertion of a Germanium(II) Salicyl Alcoholate: A Combined Experimental and Theoretical Study S. 125 8.1 Abstract S.125 8.2 Introduction S. 125 8.3 Results and Discussion S.126 8.3.1 Syntheses and Characterization S. 126 8.3.2 1H NMR Spectroscopic Studies S.132 8.3.3 DFT-D Calculations S.134 8.4 Conclusions S. 137 8.5 Experimental Section S. 138 8.5.1 General S. 138 8.5.2 Synthesis of germanium(II) 2-tert-butyl-4-methyl-6-(oxidomethyl)phenolate (12) S. 139 8.5.3 Synthesis of 2,4,6,8-tetrakis(3-tert-butyl-5-methyl-2-oxidophenyl)methanide-1,3,5,7,2,4,6,8-tetraoxidogermocane (13) S. 139 8.5.3.1 Method a) S.139 8.5.3.2 Method b) S. 140 8.5.4 Synthesis of 7,8'-di-tert-butyl-5,6'-dimethyl-3H,4'H-spiro[benzo[d][1,2]oxager-mole-2,2'-benzo[d][1,3,2]dioxagermine] (14) S. 140 8.5.4.1 Method a) S. 140 8.5.4.2 Method b) S. 141 8.5.4.3 Method c) S. 141 8.5.5 Synthesis of the [4-(dimethylamino)pyridine][germanium(II)-2-tert-butyl-4-meth-yl-6-(oxidomethyl)phenolate] (15) S. 141 8.5.6 1H NMR spectroscopic study i) S. 142 8.5.7 1H NMR spectroscopic study ii) S. 142 8.5.7.1 Method a) S. 142 8.5.7.2 Method b) S. 142 8.5.8 1H NMR spectroscopic study iii) S. 142 8.5.8.1 Method a) S. 142 8.5.8.2 Method b) S. 142 8.5.9 1H NMR spectroscopic study iv) S. 143 8.5.10 1H NMR spectroscopic study of the mixture of complex 15 and 3-tert-butyl-2-hydroxy-5-methylbenzyl alcohol in CDCl3 S. 143 8.5.11 1H NMR spectroscopic study of complex 15 in CDCl3 at elevated temperature S. 143 8.5.12 Reaction of complex 15 at elevated temperature S. 143 8.5.13 Single-crystal X-ray diffraction analyses S. 143 8.5.14 Computational Details S.144 8.6 Acknowledgments S. 145 8.7 Keywords S.145 8.8 Supporting Information Chapter 8 S. 146 9 Porous Ge@C materials via twin polymerization of germanium(II) salicyl alcoholates for Li-ion batteries S. 159 9.1 Abstract S. 159 9.2 Introduction S. 159 9.3 Results and Discussion S. 160 9.3.1 Synthesis and Characterization of germylenes S. 160 9.3.2 Twin polymerization S. 164 9.3.2.1 Studies on the reactivity S. 164 9.3.2.2 Characterization of the hybrid materials obtained by thermally induced twin polymerization S. 166 9.3.3 Synthesis and characterization of porous materials S. 168 9.3.4 Electrochemical measurements S. 170 9.4 Conclusions S. 172 9.5 Experimental Section S.172 9.5.1 General S.172 9.5.2 Synthesis of germanium(II) 2-(oxidomethyl)phenolate (16) S. 174 9.5.3 Synthesis of germanium(II) 4-methyl-2-(oxidomethyl)phenolate (17) S. 174 9.5.4 Synthesis of germanium(II) 4-bromo-2-(oxidomethyl)phenolate (18) S. 175 9.5.5 General procedure for the synthesis of phenolic resin-germanium oxide hybrid materials by thermally induced twin polymerization in melt - exemplified for compound 16 S. 175 9.5.6 General procedure for the synthesis of porous Ge@C materials - exemplified for hybrid material HM-16 S.175 9.5.7 General procedure for the synthesis of germanium oxide - exemplified for hybrid material HM-16 S.176 9.5.8 Single-crystal X-ray diffraction analyses S. 176 9.5.9 Computational Details S. 177 9.5.10 Electrode fabrication, cell assembly and electrochemical measurements S. 178 9.6 Acknowledgments S.178 9.7 Keywords S. 178 9.8 Supporting Information Chapter 9 S.179 10 From molecular germanates to microporous Ge@C via twin polymerization S.199 10.1 Abstract S.199 10.2 Introduction 199 10.3 Results and Discussion S. 201 10.3.1 Syntheses and Characterization S. 201 10.3.2 Twin polymerization of germanate 19 S. 204 10.3.3 Synthesis and characterization of the porous materials S. 205 10.3.4 Electrochemical measurements S.206 10.4 Conclusions S. 207 10.5 Experimental Section S. 208 10.5.1 General S. 208 10.5.2 Synthesis of bis(dimethylammonium) tris[2-(oxidomethyl)phenolate(2-)]germa-nate (19) S. 209 10.5.3 Synthesis of bis(dimethylammonium) tris[4-methyl-2-(oxidomethyl)pheno-late(2-)]germanate (20) S. 210 10.5.4 Synthesis of bis(dimethylammonium) tris[4-bromo-2-(oxidomethyl)pheno-late(2-)]germanate (21) S.210 10.5.5 Synthesis of dimethylammonium bis[2-tert-butyl-4-methyl-6-(oxidomethyl)phe-nolate(2-)][2-tert-butyl-4-methyl-6-(hydroxymethyl)phenolate(1-)]germanate (22) S. 211 10.5.6 Synthesis of phenolic resin-germanium dioxide hybrid materials by thermally induced twin polymerization in melt - HM-19 S. 211 10.5.7 Synthesis of porous Ge@C material C-19 starting from HM-19 S. 212 10.5.8 Synthesis of germanium dioxide material Ox-19 - starting from HM-19 S.212 10.5.9 Single-crystal X-ray diffraction analyses S. 212 10.5.10 Electrode fabrication, cell assembly and electrochemical measurements S.213 10.6 Acknowledgments S. 214 10.7 Keywords S. 214 10.8 Supporting Information Chapter 10 S.215 11 Chiral Spirocyclic Germanium Thiolates – An Evaluation of Their Suitability for Twin Polymerization based on A Combined Experimental and Theoretical Study S.226 11.1 Abstract S.226 11.2 Introduction S. 226 11.3 Results and Discussion S.227 11.3.1 Syntheses and Characterization S. 227 11.3.2 Studies on twin polymerization S.229 11.3.3 Computational studies on proton-assisted twin polymerization S. 232 11.4 Conclusions S. 235 11.5 Acknowledgments S. 236 11.6 Keywords S.236 11.7 Supporting Information Chapter 11 S.237 12 Concluding remarks S. 257 12.1 Discussion S.257 12.1.1 Twin polymerization of germanium-containing precursors S. 257 12.1.2 Reactivity studies of precursors towards their twin polymerization S.260 12.2 Summary and Outlook S. 264 Selbständigkeitserklärung S.266 Curriculum Vitae S.267 Publications S. 268 List of Publications in Peer-Reviewed Journals S. 268 List of Conference Contributions S.269 Research proposals, additional conference and summer school participations S. 270 Acknowledgments S. 271 References S. 272